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人物介紹

彭慧勝，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系主任、國(guó)家杰出青年基金獲得者、長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、國(guó)家有突出貢獻(xiàn)中青年專(zhuān)家、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家。主要在高分子纖維器件領(lǐng)域開(kāi)展研究工作，創(chuàng)制了多尺度螺旋復(fù)合纖維，揭示了電荷在高曲率纖維表界面快速分離與傳輸?shù)臋C(jī)制，提出了纖維電子器件的設(shè)計(jì)思想，賦予纖維發(fā)電、儲(chǔ)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(jì)99）等期刊上發(fā)表了300多篇論文。SCI他引2萬(wàn)多次，H指數(shù)84，2018年起連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”。出版了4部專(zhuān)著。獲授權(quán)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專(zhuān)利78項(xiàng)，其中36項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)讓轉(zhuǎn)化，制定了2項(xiàng)纖維器件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

其中，通過(guò)專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓和與一批中外企業(yè)合作，開(kāi)發(fā)出系列纖維材料與器件產(chǎn)品。指導(dǎo)的2名博士生因?yàn)椴┦繉W(xué)位論文獲得國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）青年化學(xué)家獎(jiǎng)、4名博士生獲得美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)（MRS）優(yōu)秀博士生獎(jiǎng)（2名金獎(jiǎng)和2名銀獎(jiǎng)）、1名博士生獲得全球創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)總決賽亞軍，指導(dǎo)的博士生還多次獲得中國(guó)大學(xué)生年度人物、中國(guó)大學(xué)生自強(qiáng)之星、中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)和科萊恩的CPCIF-Clariant可持續(xù)發(fā)展青年創(chuàng)新卓越獎(jiǎng)等榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。

擔(dān)任教育部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)學(xué)部委員、《科學(xué)通報(bào)》副主編、ChemNanoMat編委會(huì)共同主席和Adv. Funct. Mater.編委。作為第一完成人，獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

詳見(jiàn)：https://penglab.fudan.edu.cn/

今日，彭慧勝教授團(tuán)隊(duì)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(zhì)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(shí)更換，但目前的合成材料存在骨整合問(wèn)題，易導(dǎo)致移植失敗。

在此，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授，孫雪梅教授和陳培寧副研究員，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院-運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科陳世益教授，復(fù)旦大學(xué)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(jī)械性能，且可以與宿主骨骼整合并恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。

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(xiàn)其更高的拉出力，動(dòng)物可以正常奔跑和跳躍，從而證明了人工韌帶的長(zhǎng)期安全性，并研究了整合過(guò)程所涉及的途徑。

研究背景

韌帶和肌腱由纖維結(jié)締組織組成，對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性至關(guān)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(jiān)固，靈活和穩(wěn)定。

由有機(jī)分子組成的天然韌帶在劇烈運(yùn)動(dòng)的高負(fù)荷下很容易受損，但獲得機(jī)械強(qiáng)度高并與宿主骨充分結(jié)合以承受劇烈關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)下的高負(fù)荷，對(duì)于結(jié)締組織的有效功能恢復(fù)既關(guān)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(rèn)為是前交叉韌帶（ACL）手術(shù)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(fēng)險(xiǎn)。聚合物移植物的壽命很差，進(jìn)行移植到骨愈合方面很差，導(dǎo)致骨管擴(kuò)大和移植失敗。因此，實(shí)現(xiàn)與骨有效整合的高性能移植物仍然是一個(gè)未滿足的需求。

天然組織的獨(dú)特和高性能功能歸因于其各向異性結(jié)構(gòu)，其通常由分層組織的有機(jī)成分組成。例如，韌帶是納米大小的膠原纖維的層次結(jié)構(gòu)，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(qiáng)了韌帶，使其能夠從關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)移高應(yīng)力負(fù)荷。

膠原纖維之間的納米級(jí)通道和膠原纖維和束之間的微米級(jí)通道為細(xì)胞附著和增殖提供了有利的環(huán)境，并促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）的分化。假設(shè)：如果這種分層排列的結(jié)構(gòu)可以從一維構(gòu)建塊組裝形成多尺度通道，就有可能獲得強(qiáng)大的合成移植物，這也為細(xì)胞和組織生長(zhǎng)提供了合適的環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)有效的生物整合。

圖文介紹

本文報(bào)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(lèi)似于天然韌帶的各向異性結(jié)構(gòu)的分層螺旋纖維（HHF）。

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

圖1.?天然韌帶和HHF的分層結(jié)構(gòu)

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(qiáng)度高和表面積大，構(gòu)成人造韌帶的基石。

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

進(jìn)一步將次生纖維扭曲在一起，產(chǎn)生了毫米級(jí)的HHF（圖1e，f），且在形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可以忽略不計(jì)。

同時(shí)，HHF的直徑可以通過(guò)改變初級(jí)和次級(jí)纖維的數(shù)量來(lái)輕松調(diào)整，且在排列的碳納米管之間形成的數(shù)十到數(shù)百納米的合成纖維通道。類(lèi)似地，在對(duì)齊的初級(jí)纖維中發(fā)現(xiàn)了微米級(jí)的通道（圖1h）和次級(jí)纖維（圖1i）的分層組裝螺旋。

結(jié)果顯示，用于構(gòu)建HHF的CNT纖維具有優(yōu)于臨床聚酯纖維和天然韌帶的機(jī)械性能，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可承受1000000次連續(xù)彎曲和復(fù)雜變形。更加重要的是，HHF表現(xiàn)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(yīng)力分布的有限元模擬表明，內(nèi)部的多級(jí)通道可以有效地適應(yīng)碳納米管的變形。這種機(jī)械特性使HHF具有固有的耐用性，適用于承重移植物。此外，對(duì)于體內(nèi)使用，系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析表明，HHF在分子和組織學(xué)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(jìn)行ACL重建

HHF促進(jìn)體內(nèi)骨整合

為了評(píng)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(jié)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(jù)了空間，有些還長(zhǎng)成了HHF。再生骨具有與天然骨相同的管狀微觀結(jié)構(gòu)，HHF和新骨之間沒(méi)有明顯的邊界，表明發(fā)生了強(qiáng)烈的骨整合過(guò)程（圖2d）。

相比之下，植入普通PET纖維后，股骨和脛骨管均出現(xiàn)明顯增大。4周后脛骨管擴(kuò)大45.0%，植入13周后擴(kuò)大52.1%（圖2e）。因此，上述HHF組和對(duì)照組之間的骨修復(fù)對(duì)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(duì)照

作者進(jìn)一步進(jìn)行了一系列組織學(xué)分析，以了解植入的HHF誘導(dǎo)的骨整合過(guò)程。組織學(xué)結(jié)果表明，HHFs可以促進(jìn)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活性，以增強(qiáng)骨骼建模和重塑，并且在骨整合的早期階段，HHFs周?chē)蛢?nèi)部可以逐漸形成膠原束。

與PET移植觀察到的骨缺損擴(kuò)大相比，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間（18個(gè)月）的HHF植入后，隧道缺損連續(xù)修復(fù)至0.86 mm，致密的骨組織完全占據(jù)了HHF的隧道甚至微米通道。此外，血管和神經(jīng)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(jīng)。

圖4.?HHF促進(jìn)成骨

圖5.?使用HHF進(jìn)行ACL重建恢復(fù)了大型動(dòng)物（綿羊）模型中的活動(dòng)性

總之，本文展示的結(jié)果表明，分層排列的CNT纖維與天然骨骼的結(jié)合非常好，并且足夠堅(jiān)固，可以用作人造韌帶。當(dāng)用于替換兔的撕裂前交叉韌帶時(shí)，再生的骨完全修復(fù)了骨隧道缺損，與臨床聚合物移植物的大于50%擴(kuò)大形成強(qiáng)烈對(duì)比。

此外，這些纖維促進(jìn)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(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)工作為多級(jí)螺旋人工韌帶的臨床轉(zhuǎn)化人類(lèi)帶來(lái)了巨大的前景，為解決韌帶-骨關(guān)節(jié)修復(fù)以承受高動(dòng)態(tài)應(yīng)力負(fù)荷的緊迫臨床問(wèn)題開(kāi)辟了一條新途徑。

作者相信，這種將材料扭曲成具有多個(gè)長(zhǎng)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(jī)械強(qiáng)度高的一維納米材料或微材料，以獲得類(lèi)似的高性能人造組織。

文獻(xiàn)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

原創(chuàng)文章，作者：菜菜歐尼醬，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/01/18/dff4cd4096/

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彭慧勝教授，2023年首篇Nature Nanotechnology！

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