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  蜘蛛絲由于其超強(qiáng)的力學(xué)性能，在上世紀(jì)末引起人們的廣泛興趣并成為研究熱點(diǎn)。人們最初的目標(biāo)是希望通過人工紡絲的方法來獲取大量力學(xué)性能優(yōu)異的人工蜘蛛絲，以突破天然蜘蛛絲無法大量獲取的瓶頸。但是人們后來漸漸發(fā)現(xiàn)，如果單從力學(xué)性能的角度去制備大量的人工蜘蛛絲意義并不大，因?yàn)橹┲虢z是一種蛋白質(zhì)纖維，其耐熱性較差，雖然力學(xué)性能優(yōu)異，但是卻不能將它作為制作防彈衣等的材料，因?yàn)樽訌梽?dòng)能轉(zhuǎn)換成的熱能很可能將其融穿而失去防彈作用。雖然用人工蜘蛛絲制造防彈衣的目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)，但是在人工紡絲過程中可以在紡絲液中添加功能性物質(zhì)，賦予人工絲蛋白纖維一些特定的功能，而這恰恰是蜘蛛絲、蠶絲等天然動(dòng)物絲無法實(shí)現(xiàn)的。此外，一般而言，通常的應(yīng)用中并不需要蜘蛛絲那樣極致的力學(xué)性能，因此并不需要采用量少價(jià)貴的蜘蛛絲蛋白作為原料，采用成本較低并可大量獲得的蠶絲蛋白即可。復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系邵正中教授和陳新教授領(lǐng)導(dǎo)的生物大分子課題組多年來一種致力于高性能再生絲蛋白纖維的人工紡制，陳新教授團(tuán)隊(duì)在2009年即通過濕法紡絲的方法成功紡制了力學(xué)性能優(yōu)異的再生絲蛋白纖維，其斷裂強(qiáng)度和斷裂能均高于天然蠶絲，完全具備了實(shí)用的價(jià)值（Adv. Mater., 2009, 21: 366）。近十多年來，陳新教授團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化紡絲工藝，以期進(jìn)一步改善再生絲蛋白纖維的結(jié)構(gòu)（Biomacromolecules, 2010, 11: 1; ACS Biomater. Sci. Eng., 2016, 2: 1992）。此外，他們將極少量的碳納米管（不超過1%）添加到再生絲蛋白纖維中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生絲蛋白纖維的斷裂強(qiáng)度并未下降，而其斷裂能則增加到可以和蜘蛛絲媲美（J. Mater. Chem. B, 2015, 3: 3940，封面文章）。

  最近，陳新教授團(tuán)隊(duì)在再生絲蛋白纖維應(yīng)用化方面又取得了進(jìn)展。他們和華山醫(yī)院陳世益教授團(tuán)隊(duì)等合作，在再生絲蛋白纖維中添加功能物質(zhì)鋰皂土，并將獲得的再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維（圖1）編織成人工韌帶（圖2a-d）。通過力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)（圖2e），相對(duì)于由天然脫膠蠶絲和純?cè)偕z蛋白纖維編織的人工韌帶，由再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維編織成的人工韌帶，其各項(xiàng)力學(xué)性能更接近于大鼠自體前交叉韌帶，適合用作人工韌帶材料。

圖1. 天然脫蠶膠絲(a)和2 wt%鋰皂土含量的再生絲蛋白纖維(b)的掃描電鏡圖.

圖2. 再生絲蛋白/鋰皂土人工韌帶實(shí)物圖(a)；分別由天然脫膠蠶絲(b)、純?cè)偕z蛋白纖維(c)和再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維(d)編織成的人工韌帶的掃描電鏡圖；以及三種人工韌帶和大鼠前交叉韌帶的載荷-應(yīng)變曲線(e). DLS：天然脫膠蠶絲人工韌帶；RS0L：純?cè)偕z蛋白纖維人工韌帶；RS2L：2 wt%鋰皂土含量的再生絲蛋白纖維人工韌帶；Native：大鼠前交叉韌帶

  體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維編織的人工韌帶比由天然脫膠蠶絲以及純?cè)偕z蛋白纖維編織的人工韌帶具有更好的細(xì)胞相容性和成骨分化作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（圖3），只有采用再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維人工韌帶的實(shí)驗(yàn)組才有新骨長入股骨和脛骨的骨孔道，表明鋰皂土的加入顯著提高了人工韌帶在韌帶重建后的骨整合作用。同時(shí)，他們對(duì)于韌帶重建后的生物力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估（圖4）。結(jié)果表明，再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維人工韌帶和其他人工韌帶相比具有最好的生物力學(xué)性能，特別是在拉伸小于16%時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎完全與大鼠自體前交叉韌帶的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合，體現(xiàn)出其優(yōu)異的骨整合性能。

圖3. 韌帶重建手術(shù)后12周，三種韌帶實(shí)驗(yàn)組中大鼠股骨和脛骨骨道的Micro-CT橫斷面圖像(a)，平均骨孔道面積(b)和相應(yīng)位置骨小梁體積占總的組織體積的比例(BV/TV)值(c).

圖4. 韌帶重建手術(shù)，人工韌帶生物力學(xué)測(cè)試測(cè)試圖(a)，各種韌帶的載荷-位移曲線(b)和各種韌帶的失效載荷比較(c).

  隨著組織工程學(xué)的發(fā)展，人工韌帶有望成為韌帶重建領(lǐng)域中自體和異體移植材料的替代材料，但是目前不管是哪種人工韌帶材料，在韌帶重建后，人工韌帶與骨之間的融合仍然是一個(gè)亟待解決的問題。陳新教授團(tuán)隊(duì)的研究工作不僅改善了人工韌帶的骨整合性能，而且成功拓展了絲蛋白纖維的功能化應(yīng)用。

  相關(guān)成果以“Artificial ligament made from silk protein/Laponite hybrid fibers”為題在線發(fā)表在Acta Biomaterialia（DOI: 10.1016/j.actbio.2020.01.045）上。論文的第一作者為復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系董慶林博士，共同第一作者為復(fù)旦大學(xué)華山醫(yī)院蔡江瑜博士，通訊作者為復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系陳新教授，共同作者有復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系邵正中教授、姚晉榮副教授、華山醫(yī)院的陳世益教授、復(fù)向醫(yī)藥科技（上海）有限公司的劉也卓博士等。該工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

  論文鏈接：

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1742706120300635

  https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.01.045