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  金屬及合金是目前骨外科手術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的材料，這是因?yàn)榻饘傧啾容^于陶瓷和聚合物來說，其機(jī)械性能高和耐腐蝕性能強(qiáng)。然而，美中不足的是，金屬與合金（~110 GPa）和人體骨（3~20 GPa）之間的彈性模量相差較大，從而會(huì)發(fā)生應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，對(duì)骨骼結(jié)構(gòu)造成壓力，進(jìn)而導(dǎo)致金屬植入物的松動(dòng)和最終失效。此外，金屬植入物可能會(huì)引起機(jī)體免疫反應(yīng)而增加感染風(fēng)險(xiǎn)并減緩傷口愈合，而且其植入體內(nèi)后難以降解，通常需要進(jìn)行二次手術(shù)取出。

  蠶絲作為一種天然的蛋白質(zhì)高分子材料，具有優(yōu)良的生物相容性、生物降解性、加工性和低廉的成本，廣泛應(yīng)用于外科縫合線、人造皮膚、肌肉、血管、骨骼等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。更重要的是，蠶絲的楊氏模量（8.9~17.4 GPa）和密度（1.3~1.4 g/cm³）比金屬基或陶瓷基人造骨更接近人骨（3~20 GPa, 1.8~2.0 g/cm³）。

  為此，西安工程大學(xué)樊威教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)張瑩瑩教授團(tuán)隊(duì)巧妙地利用了蠶絲（Silk II結(jié)構(gòu)）與絲素（Silk I結(jié)構(gòu)）之間結(jié)晶度的差異，將脫膠蠶絲織物與再生絲素熱壓制備了一種絲素自增強(qiáng)復(fù)合材料（SFS）。在高壓和高溫下，材料的自由能變化（吉布斯自由能G=U+PV-TS）可使材料中的相或分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在熱壓過程中，具有超低β片含量的再生絲素通過氫鍵、范德華力和靜電力與蠶絲織物發(fā)生重排、自組裝并緊密結(jié)合在一起。蠶絲織物和再生絲素同為絲素蛋白，因此，兩者之間形成了幾乎完美的界面結(jié)合狀態(tài)，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。SFS通過調(diào)整增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)與基體的比例，可以定制其力學(xué)性能和密度，以適應(yīng)人體不同部位骨植入的要求。更重要的是，SFS具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和提高成骨細(xì)胞活性的能力，并且可隨著骨愈合在體內(nèi)逐漸降解，無需二次手術(shù)切除，避免了患者的二次疼痛，節(jié)省了醫(yī)療費(fèi)用�？梢哉f本工作是利用最便宜的材料（蠶絲）做了最昂貴的事情（人造骨）。

圖2 全蠶絲基人造骨的表征及成型機(jī)理

圖3 全蠶絲基人造骨的力學(xué)性能

圖4 全蠶絲基人造骨力學(xué)性能的有限元模擬

圖5 全蠶絲基人造骨的體外成骨性能

圖6 全蠶絲基人造骨的體外生物降解性和體內(nèi)生物相容性

  如圖6所示，體外降解30天后SFS的殘留質(zhì)量比為RS bulk > 100L > 50L > 15L > 165L SFS（圖6a-c），這表明SFS的降解速率可以通過調(diào)節(jié)真絲織物的含量來調(diào)節(jié)。隨著織物含量的增加，SFS內(nèi)部會(huì)形成多個(gè)界面，降解溶液沿著界面通道進(jìn)入SFS，導(dǎo)致降解加速（圖6d）。經(jīng)過定位、鉆孔、植入和縫合后，將其植入新西蘭兔的股骨遠(yuǎn)端（圖6e-f）。顯微CT成像顯示，SFS骨釘在4周后仍完好無損地留在股骨內(nèi)（圖6g）。染色硬組織切片顯示，SFS周圍形成了新的骨結(jié)構(gòu)，且沒有產(chǎn)生炎癥反應(yīng)（圖6h和6i）。

  SFS不但具有可控的力學(xué)性能、優(yōu)異的生物相容性、成骨性和生物降解性，而且其原材料和加工過程成本很低，因此，SFS具有取代傳統(tǒng)金屬或陶瓷植入物的巨大潛力。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202308748