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圖 1 文章封面圖

  角膜是眼球最外層的透明組織，它幫助聚焦光線，保護眼睛的組織和結構。同種異體角膜移植是治療角膜疾病的首選，但全球眼庫資源嚴重短缺，全球尤其是發(fā)展中國家供不應求。

  BNC除了常見的優(yōu)異理化性質外，還具有一定的柔韌性和透明性，這使得其在角膜移植方面具有巨大潛力；同時BNC的形狀可控，具有一定的順應性，該順應性可以使BNC很好地貼附于眼表，適應眼表的圓頂型形狀。該課題組前期通過研究，自主開發(fā)的一款水平轉鼓生物反應器（中國專利ZL201210014383.9）不僅極大地提高了BNC的生產效率，而且與傳統(tǒng)的淺盤靜態(tài)發(fā)酵技術相比，該轉鼓動態(tài)發(fā)酵生產的BNC具有各向異性的力學性能和更高的透光率（Carbohydrate Polymers, 2019, DOI:10.1016/j.carbpol.2019.01.072)。然而，由于BNC在動態(tài)發(fā)酵過程中受到剪切力的影響，致使其網絡疏松、力學性能較差；而且與天然角膜相比，其透明度也沒有100%滿足要求，因此現(xiàn)有BNC的性能尚不足以在人工角膜移植中應用。

  HA具有優(yōu)異的透明度、潤滑性和保濕性，但其力學性能較差，體內易降解。為了解決HA存在的問題，一般使用化學交聯(lián)延長HA在體內的壽命。BDDE具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和在醫(yī)療器械中長達15年的安全使用記錄，其交聯(lián)原理是在弱堿性條件下，分子兩端的環(huán)氧基優(yōu)先與HA主鏈中最容易接近的伯醇反應，從而將HA分子鏈以醚鍵相連（交聯(lián)反應示意見圖2）。最近的研究表明將BNC和HA以BDDE交聯(lián)后的復合膜在傷口護理方面具有巨大潛力。然而，經BDDE交聯(lián)的BNC/HA復合膜尚未研究透明性和角膜細胞的相容性，也尚未開發(fā)作為人工角膜，其在眼部應用的可行性未知。

圖 2 復合人工角膜的交聯(lián)反應示意圖

圖 3 復合人工角膜制備流程圖

  該研究結果表明，在保證BNC三維納米網絡結構不變的情況下，HA的引入增加了納米纖維的直徑，膜表面孔隙變小（圖4）；HA的引入也使BNC的透光率最大提高了40%，肉眼可清晰看到膜底部放置的東華大學彩色校徽（圖5）；在BDDE的作用下，BNC?BNC、BNC?HA和HA?HA在復合膜中發(fā)生相互作用。醚鍵的存在使復合膜的最大拉伸強度在轉鼓旋轉方向和軸向上分別提高了2.1倍和2.7倍，復合膜的爆破壓也有一定程度的提高（圖6），同時復合人工角膜還具備一定的抗縫合性（圖7），縫合最大力接近人羊膜的縫合力（0.11 N），這些性能在保持了轉鼓生產的BNC的各向異性前提下進一步滿足了臨床對人工角膜的力學要求。對復合膜進行含水量和失水率測試，結果表明所有復合膜在保持高含水的狀態(tài)下保水性能明顯提高（表1和圖8），這表明其能滿足角膜在眼表的濕潤要求。體外培養(yǎng)兔角膜基質細胞（RCSCs）的結果表明，所有樣品均能支持RCSCs在其表面的黏附和增殖，細胞形態(tài)正常，材料具有良好的細胞相容性（圖9）。以上結果均顯示所制備的人工角膜不僅安全，而且能夠滿足臨床對人工角膜的要求。

圖 7 不同濃度的HA制備的BNC/HA復合膜的縫合強度（*：0.01 < P < 0.05，**：0.001 < P < 0.01，***：P < 0.001。單個直方圖上方的*表示與BNC在同一方向上的顯著性差異）

  論文第一作者為東華大學生物與醫(yī)學工程學院碩士研究生羅宇樺，通訊作者為細菌納米纖維制造及復合技術科研基地的洪楓教授。該研究得到了國家先進功能纖維創(chuàng)新中心和海南省重點研發(fā)項目的資助。

  全文下載鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c01052