复旦大学彭慧胜团队开发基于碳纳米管的仿生人工韧带，让跛脚绵羊恢复奔跑跳跃能力

来源：生物世界 2023-05-10 14:56

这项研究表明，仿生自天然韧带结构的、分层排列的碳纳米管纤维与宿主骨骼结合得非常好，并且足够坚固，可以用于生成人工韧带。这种具有多尺度通道结构的人工韧带为解决韧带-骨关节高动态应力载荷修复的迫切临床问题

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实际上，韧带损伤发生的概率并不低，经常关注体育赛事的读者都会注意到，许多运动员都因韧带损伤而休赛甚至直接退役。而更令人遗憾的是，目前针对韧带损害的治疗方法十分有限，而且均存在明显的弊端与不足。

2023年5月4日，复旦大学高分子科学系彭慧胜、陈培宁、孙雪梅，以及复旦大学附属中山医院丁琛、复旦大学附属华山医院陈世益等作为共同通讯作者，在Nature子刊Nature Nanotechnology上发表了题为：Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement的研究论文。

该研究开发了一种人工韧带，它具有良好的力学性能，可以与宿主的骨骼结合，恢复其因韧带损伤而受损的运动能力。同时研究团队还在家兔、绵羊中证明了该人工韧带的长期安全性，并研究了其参与整合的途径。

韧带和肌腱由纤维结缔组织组成，对关节的运动和稳定至关重要。韧带连接骨头，而肌腱连接肌肉和骨头。因为这些组织传递高，所以它们必须强壮、灵活和稳定。在剧烈运动中，由有机分子组成的天然韧带很容易受到高负荷损伤。据，每年全世界每1250人就有一人需要手术重建前交叉韧带（ACL）。

自体移植物和同种异体移植物被认为是ACL手术重建的最佳选择，因为它们具有内在的生物活性，可以促进细胞增殖和新组织生长，但它们通常十分稀缺。作为替代品，合成聚合物移植物，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚己内酯等，也被设计用于临床实践。然而，这些聚合物移植物具有寿命短、移植失败率高和需要手术翻修等弊端。

值得一提的是，天然韧带组织具有独特、精细和高效的结构：韧带是由纳米大小的胶原原纤维组织成微米大小的胶原纤维和束下束的层次结构，其复杂的排列结构使得韧带足够坚固并转移关节运动产生的高应力负荷。此外，胶原纤维之间的纳米尺度通道也为细胞的附着和增殖提供了良好的环境，促进了间充质（MSC）的募集分化。

天然韧带的结构示意图

因此，如果我们能使用纳米材料模仿天然韧带组织的这种多尺度通道结构，那么就有可能获得功能强大的人工韧带，同时为细胞和组织的生长提供合适的环境，从而实现有效的生物整合。

在这项研究中，研究团队开发了一种高性能的人工韧带，它由碳纳米管（CNT）组装成分层螺旋纤维（HHF），具有与天然韧带相似的各向异性结构。此外，碳纳米管也赋予这种人工韧带重量轻、抗拉强度高和生物相容性好等优点。

人工韧带由碳纳米管（CNT）组装成分层螺旋纤维（HHF）

具体而言，人工韧带是由排列整齐的碳纳米管组装而成，并形成分层螺旋纤维，同时还带有类似的纳米和微米级多尺度通道。得益于与天然韧带相仿的结构，这种人工韧带不仅具有所需的力学性能，还可以与宿主骨骼结合，恢复宿主的运动能力。

在家兔模型中使用HHF重建前交叉韧带（ACL）

为了量化人工韧带与宿主骨骼之间的界面强度，研究团队测量了拔出力，即从骨骼中拔出HHF植入物所需的结合力，以显示骨结合程度。在移植后的第4周，植入的HHF表现出比同种异体移植物和骨骼之间的拔出力高三倍！并且还会随着时间的推移不断增强！

HHF移植物的生物整合以及与对照相比

组织学结果表明，HHF可以促进成骨细胞和破骨细胞的活性，以增强骨骼建模和重塑，并且在骨整合的早期阶段，HHF周围和内部可以逐渐形成胶原束。不仅如此，HHF的微米通道还可以促进和神经的形成，这在PET移植物中很少发生。

HHF促进骨骼重塑

更重要的是，在兔、羊的前交叉韧带（ACL）重建模型中，移植人工韧带13周后，其受伤部位所能承受的压力明显增强，并恢复正常站立、行走、奔跑和跳跃等运动能力。此外，系统的实验分析表明，人工韧带可以在体内长期使用，并具有良好的生物相容性和安全性。

在大型动物（绵羊）模型中，使用HHF移植物重建ACL可以恢复受伤动物的运动能力

总而言之，这项研究表明，仿生自天然韧带结构的、分层排列的碳纳米管纤维与宿主骨骼结合得非常好，并且足够坚固，可以用于生成人工韧带。这种具有多尺度通道结构的人工韧带为解决韧带-骨关节高动态应力载荷修复的迫切临床问题开辟了新的途径。

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