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人物介紹

彭慧勝，復旦大學高分子科學系主任、國家杰出青年基金獲得者、長江學者特聘教授、國家有突出貢獻中青年專家、國家重點研發(fā)計劃首席科學家。主要在高分子纖維器件領域開展研究工作，創(chuàng)制了多尺度螺旋復合纖維，揭示了電荷在高曲率纖維表界面快速分離與傳輸的機制，提出了纖維電子器件的設計思想，賦予纖維發(fā)電、儲能等全新功能，提出了高分子纖維電子新方向。

在Nature（3）、Nature子刊（8）、Nature Commun./J. Am. Chem. Soc./Angew. Chem. Int. Ed./Adv. Mater./Phys. Rev. Lett.（合計99）等期刊上發(fā)表了300多篇論文。SCI他引2萬多次，H指數84，2018年起連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學家”。出版了4部專著。獲授權國內外發(fā)明專利78項，其中36項實現了轉讓轉化，制定了2項纖維器件行業(yè)標準。

其中，通過專利轉讓和與一批中外企業(yè)合作，開發(fā)出系列纖維材料與器件產品。指導的2名博士生因為博士學位論文獲得國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）青年化學家獎、4名博士生獲得美國材料研究學會（MRS）優(yōu)秀博士生獎（2名金獎和2名銀獎）、1名博士生獲得全球創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)總決賽亞軍，指導的博士生還多次獲得中國大學生年度人物、中國大學生自強之星、中國石油和化學工業(yè)聯合會和科萊恩的CPCIF-Clariant可持續(xù)發(fā)展青年創(chuàng)新卓越獎等榮譽稱號。

擔任教育部科學技術委員會學部委員、《科學通報》副主編、ChemNanoMat編委會共同主席和Adv. Funct. Mater.編委。作為第一完成人，獲得國家自然科學二等獎。

詳見：https://penglab.fudan.edu.cn/

今日，彭慧勝教授團隊在Nature Nanotechnology上以“Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement”為題創(chuàng)造性地提出一種以碳納米管為主要材質的人工韌帶，其在韌帶損傷及其移植方面具有廣闊的前景！

眾所周知，韌帶作為人體最主要的身體部位，損傷率極高，需要及時更換，但目前的合成材料存在骨整合問題，易導致移植失敗。

在此，復旦大學彭慧勝教授，孫雪梅教授和陳培寧副研究員，復旦大學附屬華山醫(yī)院-運動醫(yī)學科陳世益教授，復旦大學附屬中山醫(yī)院Chen Ding等人制備出一種理想的人造韌帶，其具有所需的機械性能，且可以與宿主骨骼整合并恢復運動。

其中，人造韌帶由排列的碳納米管組裝而成，碳納米管形成帶有納米和微米通道的分層螺旋纖維。

研究表明，在前交叉韌帶置換模型中觀察到人工韌帶的骨整合，更加重要的是，在兔子和綿羊模型中植入13周后發(fā)現其更高的拉出力，動物可以正常奔跑和跳躍，從而證明了人工韌帶的長期安全性，并研究了整合過程所涉及的途徑。

研究背景

韌帶和肌腱由纖維結締組織組成，對關節(jié)運動和穩(wěn)定性至關重要。其中，韌帶將骨骼連接在一起，而肌腱將肌肉連接到骨骼。由于這些組織傳遞高拉力，因此它們必須堅固，靈活和穩(wěn)定。

由有機分子組成的天然韌帶在劇烈運動的高負荷下很容易受損，但獲得機械強度高并與宿主骨充分結合以承受劇烈關節(jié)運動下的高負荷，對于結締組織的有效功能恢復既關鍵又具有挑戰(zhàn)性。

研究表明，自體移植和同種異體移植被認為是前交叉韌帶（ACL）手術重建中的最佳選擇，但它們通常是稀缺的，并且可能遭受潛在的風險。聚合物移植物的壽命很差，進行移植到骨愈合方面很差，導致骨管擴大和移植失敗。因此，實現與骨有效整合的高性能移植物仍然是一個未滿足的需求。

天然組織的獨特和高性能功能歸因于其各向異性結構，其通常由分層組織的有機成分組成。例如，韌帶是納米大小的膠原纖維的層次結構，組織成微米大小的膠原纖維和亞束。（圖1a），膠原纖維和纖維的縱向排列加強了韌帶，使其能夠從關節(jié)運動中轉移高應力負荷。

膠原纖維之間的納米級通道和膠原纖維和束之間的微米級通道為細胞附著和增殖提供了有利的環(huán)境，并促進間充質干細胞（MSCs）的分化。假設：如果這種分層排列的結構可以從一維構建塊組裝形成多尺度通道，就有可能獲得強大的合成移植物，這也為細胞和組織生長提供了合適的環(huán)境，以實現有效的生物整合。

圖文介紹

本文報告了一種高性能的人工韌帶，其由碳納米管（CNT）組裝成具有類似于天然韌帶的各向異性結構的分層螺旋纖維（HHF）。

研究表明，這些HHFs成功地修復了兔子和綿羊的前交叉韌帶，有效地恢復了動物站立，行走和跳躍的能力。同時，排列的纖維之間形成的納米和微米通道被證明是促進骨再生和缺陷完全修復的關鍵。

圖1.?天然韌帶和HHF的分層結構

HHF的組裝和表征

由于碳納米管具有生物相容性、重量輕、抗拉強度高和表面積大，構成人造韌帶的基石。

首先，采用化學氣相沉積和浮式化學氣相沉積法制備了具有多壁結構的碳納米管，直徑為10nm（圖1b）。同時，通過連續(xù)扭曲排列的CNT，組裝成類似膠原纖維的螺旋狀CNT纖維（圖1c）。當這些多層初級纖維扭曲在一起時，從而獲得了亞毫米級的次級CNT纖維，其相當于天然韌帶中的亞束（圖1d）。

進一步將次生纖維扭曲在一起，產生了毫米級的HHF（圖1e，f），且在形成穩(wěn)定的雙螺旋結構后產生的殘余應力可以忽略不計。

同時，HHF的直徑可以通過改變初級和次級纖維的數量來輕松調整，且在排列的碳納米管之間形成的數十到數百納米的合成纖維通道。類似地，在對齊的初級纖維中發(fā)現了微米級的通道（圖1h）和次級纖維（圖1i）的分層組裝螺旋。

結果顯示，用于構建HHF的CNT纖維具有優(yōu)于臨床聚酯纖維和天然韌帶的機械性能，并且結構穩(wěn)定，可承受1000000次連續(xù)彎曲和復雜變形。更加重要的是，HHF表現出相似的模量（0.472±0.12 GPa）和剛度（79.43±7.46 N mm^-1）。

與此一致，HHF中應力分布的有限元模擬表明，內部的多級通道可以有效地適應碳納米管的變形。這種機械特性使HHF具有固有的耐用性，適用于承重移植物。此外，對于體內使用，系統(tǒng)的實驗分析表明，HHF在分子和組織學水平上都具有生物相容性和安全性。

圖2. 在兔模型中使用HHF進行ACL重建

HHF促進體內骨整合

為了評估HHF與天然骨骼的生物整合，作者將HHF植入兔ACL重建模型中。結果表明，HHF植入后股骨和脛骨管均明顯變窄（圖2c，d），4周后脛骨管變窄29.9%，13周后變窄41.9%（圖圖2e）。

在第13周，脛骨管的平均直徑（1.16 mm）小于HHF的直徑（1.5 mm），新形成的骨骼完全占據了空間，有些還長成了HHF。再生骨具有與天然骨相同的管狀微觀結構，HHF和新骨之間沒有明顯的邊界，表明發(fā)生了強烈的骨整合過程（圖2d）。

相比之下，植入普通PET纖維后，股骨和脛骨管均出現明顯增大。4周后脛骨管擴大45.0%，植入13周后擴大52.1%（圖2e）。因此，上述HHF組和對照組之間的骨修復對比表明，納米通道在骨整合中起著重要作用。

圖3.?HHF移植的生物整合與對照

作者進一步進行了一系列組織學分析，以了解植入的HHF誘導的骨整合過程。組織學結果表明，HHFs可以促進成骨細胞和破骨細胞的活性，以增強骨骼建模和重塑，并且在骨整合的早期階段，HHFs周圍和內部可以逐漸形成膠原束。

與PET移植觀察到的骨缺損擴大相比，經過較長時間（18個月）的HHF植入后，隧道缺損連續(xù)修復至0.86 mm，致密的骨組織完全占據了HHF的隧道甚至微米通道。此外，血管和神經都在HHF的微米通道中形成，而PET移植物中很少發(fā)生血管和神經。

圖4.?HHF促進成骨

圖5.?使用HHF進行ACL重建恢復了大型動物（綿羊）模型中的活動性

總之，本文展示的結果表明，分層排列的CNT纖維與天然骨骼的結合非常好，并且足夠堅固，可以用作人造韌帶。當用于替換兔的撕裂前交叉韌帶時，再生的骨完全修復了骨隧道缺損，與臨床聚合物移植物的大于50%擴大形成強烈對比。

此外，這些纖維促進股骨和脛骨隧道中新骨的形成，再生的骨骼顯示出與天然骨骼相似的微觀結構。

這項工作為多級螺旋人工韌帶的臨床轉化人類帶來了巨大的前景，為解決韌帶-骨關節(jié)修復以承受高動態(tài)應力負荷的緊迫臨床問題開辟了一條新途徑。

作者相信，這種將材料扭曲成具有多個長度尺度的分層組件的策略可以推廣到其他生物相容性和機械強度高的一維納米材料或微材料，以獲得類似的高性能人造組織。

文獻信息

Wang, L., Wan, F., Xu, Y. et al. Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01394-3

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