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在剛剛故去的五一小長假里，“特種兵式旅游”成為熱詞。不少人，尤其是年輕人在小長假的幾天時間里，挑戰(zhàn)用最少的花費和最短的時間游歷最多的景點，舟車勞頓之后還要按時回去上班、上課。這種“特種兵式旅游”的日行步數(shù)十分驚人，一些不常運動的人很容易發(fā)生踝關(guān)節(jié)扭傷、韌帶損傷等。

實際上，韌帶損傷發(fā)生的概率并不低，經(jīng)常關(guān)注體育賽事的讀者都會注意到，許多運動員都因韌帶損傷而休賽甚至直接退役。而更令人遺憾的是，目前針對韌帶損害的治療方法十分有限，而且均存在明顯的弊端與不足。

2023年5月4日，復(fù)旦大學高分子科學系彭慧勝、陳培寧、孫雪梅，以及復(fù)旦大學附屬中山醫(yī)院丁琛、復(fù)旦大學附屬華山醫(yī)院陳世益等作為共同通訊作者，在 Nature 子刊 Nature Nanotechnology 上發(fā)表了題為：Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種人工韌帶，它具有良好的力學性能，可以與宿主的骨骼結(jié)合，恢復(fù)其因韌帶損傷而受損的運動能力。同時研究團隊還在家兔、綿羊中證明了該人工韌帶的長期安全性，并研究了其參與整合的途徑。

 

韌帶和肌腱由纖維結(jié)締組織組成，對關(guān)節(jié)的運動和穩(wěn)定至關(guān)重要。韌帶連接骨頭，而肌腱連接肌肉和骨頭。因為這些組織傳遞高張力，所以它們必須強壯、靈活和穩(wěn)定。在劇烈運動中，由有機分子組成的天然韌帶很容易受到高負荷損傷。據(jù)統(tǒng)計，每年全世界每1250人就有一人需要手術(shù)重建前交叉韌帶（ACL）。

自體移植物和同種異體移植物被認為是ACL手術(shù)重建的最佳選擇，因為它們具有內(nèi)在的生物活性，可以促進細胞增殖和新組織生長，但它們通常十分稀缺。作為替代品，合成聚合物移植物，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚己內(nèi)酯等，也被設(shè)計用于臨床實踐。然而，這些聚合物移植物具有壽命短、移植失敗率高和需要手術(shù)翻修等弊端。

值得一提的是，天然韌帶組織具有獨特、精細和高效的結(jié)構(gòu)：韌帶是由納米大小的膠原原纖維組織成微米大小的膠原纖維和束下束的層次結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜的排列結(jié)構(gòu)使得韌帶足夠堅固并轉(zhuǎn)移關(guān)節(jié)運動產(chǎn)生的高應(yīng)力負荷。此外，膠原纖維之間的納米尺度通道也為細胞的附著和增殖提供了良好的環(huán)境，促進了間充質(zhì)干細胞（MSC）的募集分化。

天然韌帶的結(jié)構(gòu)示意圖

因此，如果我們能使用納米材料模仿天然韌帶組織的這種多尺度通道結(jié)構(gòu)，那么就有可能獲得功能強大的人工韌帶，同時為細胞和組織的生長提供合適的環(huán)境，從而實現(xiàn)有效的生物整合。

在這項研究中，研究團隊開發(fā)了一種高性能的人工韌帶，它由碳納米管（CNT）組裝成分層螺旋纖維（HHF），具有與天然韌帶相似的各向異性結(jié)構(gòu)。此外，碳納米管也賦予這種人工韌帶重量輕、抗拉強度高和生物相容性好等優(yōu)點。

人工韌帶由碳納米管（CNT）組裝成分層螺旋纖維（HHF）

具體而言，人工韌帶是由排列整齊的碳納米管組裝而成，并形成分層螺旋纖維，同時還帶有類似的納米和微米級多尺度通道。得益于與天然韌帶相仿的結(jié)構(gòu)，這種人工韌帶不僅具有所需的力學性能，還可以與宿主骨骼結(jié)合，恢復(fù)宿主的運動能力。

在家兔模型中使用HHF重建前交叉韌帶（ACL）

為了量化人工韌帶與宿主骨骼之間的界面強度，研究團隊測量了拔出力，即從骨骼中拔出HHF植入物所需的結(jié)合力，以顯示骨結(jié)合程度。在移植后的第4周，植入的HHF表現(xiàn)出比同種異體移植物和骨骼之間的拔出力高三倍！并且還會隨著時間的推移不斷增強！

HHF移植物的生物整合以及與對照相比

組織學結(jié)果表明，HHF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，HHF周圍和內(nèi)部可以逐漸形成膠原束。不僅如此，HHF的微米通道還可以促進血管和神經(jīng)的形成，這在PET移植物中很少發(fā)生。

HHF促進骨骼重塑

更重要的是，在兔、羊的前交叉韌帶（ACL）重建模型中，移植人工韌帶13周后，其受傷部位所能承受的壓力明顯增強，并恢復(fù)正常站立、行走、奔跑和跳躍等運動能力。此外，系統(tǒng)的實驗分析表明，人工韌帶可以在體內(nèi)長期使用，并具有良好的生物相容性和安全性。

在大型動物（綿羊）模型中，使用HHF移植物重建ACL可以恢復(fù)受傷動物的運動能力

總而言之，這項研究表明，仿生自天然韌帶結(jié)構(gòu)的、分層排列的碳納米管纖維與宿主骨骼結(jié)合得非常好，并且足夠堅固，可以用于生成人工韌帶。這種具有多尺度通道結(jié)構(gòu)的人工韌帶為解決韌帶-骨關(guān)節(jié)高動態(tài)應(yīng)力載荷修復(fù)的迫切臨床問題開辟了新的途徑。

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