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北師大（珠海）朱曉夏、賈永光團(tuán)隊(duì) AFM：生物來(lái)源的類(lèi)皮膚狀形狀記憶纖維用于智能縫合線
2024-09-19  來(lái)源：高分子科技

  聚氨酯通常由硬段和軟段組成，其具有較強(qiáng)的分子間相互作用、可調(diào)控的機(jī)械性能和易加工性，它們可呈現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用而言，形狀記憶聚氨酯的生物相容性仍有較大的提升空間。不可降解的聚氨酯手術(shù)縫合線在移除時(shí)通常會(huì)造成二次損傷，并在傷口處留下疤痕。盡管現(xiàn)階段有源自脂肪族酸（如乳酸）的可降解聚氨酯，該類(lèi)材料在降解時(shí)會(huì)在生物體內(nèi)引發(fā)炎癥反應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)具有良好生物相容性的形狀記憶聚氨酯對(duì)于其臨床應(yīng)用具有重要意義。


  最近，北師大朱曉夏、賈永光教授團(tuán)隊(duì)將動(dòng)物來(lái)源的天然分子膽汁酸引入聚氨酯中作為硬段，以低分子量聚乙二醇作為軟段，通過(guò)一鍋法制備了一系列線性聚氨酯（圖1）。膽汁酸衍生聚合物的降解產(chǎn)物具有較高的pKa值（約5.0），不會(huì)引起酸性毒性。


圖1.（a）膽酸基聚氨酯的合成路線，（b）紅外光誘導(dǎo)自收縮縫合線，（c）膽酸基聚氨酯中的相互作用示意圖。


  研究表明，所制備的膽酸基聚氨酯的數(shù)均分子量可達(dá)150 KDa，斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)600%，拉伸強(qiáng)度可達(dá)37 MPa。因此，聚氨酯樣品展現(xiàn)出了良好的加工性和機(jī)械性能（圖2）。由于此樣品具有較寬的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，其可以展現(xiàn)出雙重、三重甚至多重形狀記憶效應(yīng)（圖3）。最重要的是，作者利用豬皮展示了多重刺激響應(yīng)的自收緊手術(shù)縫合線的應(yīng)用潛力。如圖3d所示，傷口被纖維狀聚氨酯縫合的較為松散。將其加熱至50 °C或使用紅外激光照射40秒，傷口可以被緩慢的自收緊。


圖2. 膽酸基聚氨酯的易加工性和力學(xué)性能。通過(guò)(a)浸涂和(b)靜電紡絲加工技術(shù)制備的管狀聚氨酯產(chǎn)品。(c) 含不同分子量聚乙二醇的制備的聚氨酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（拉伸速度為100 mm/min），(d)不同拉伸速度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。


圖3. 膽酸基聚氨酯的形狀記憶性能：(a) 樣品可在80 °C下5秒后即可恢復(fù)到原來(lái)形狀，(b)雙重形狀記憶曲線。(c)三重和四重形狀記憶效應(yīng)的恢復(fù)過(guò)程，以及(d)熱響應(yīng)和紅外響應(yīng)的自緊縮手術(shù)縫合線的應(yīng)用。


  為了進(jìn)一步證實(shí)此樣品作為智能縫合線的優(yōu)勢(shì)，作者將膽酸基聚氨酯與商業(yè)化的聚乙二醇酸、尼龍縫合線分別對(duì)大鼠的傷口進(jìn)行縫合。研究結(jié)果表明，用808 nm波長(zhǎng)的紅外激光照射30秒，聚氨酯樣品會(huì)自收緊？p合后10天，用膽酸基聚氨酯和聚乙二醇醋酸酯縫合的傷口已達(dá)到臨床愈合，且膽酸基聚氨酯縫合的傷口沒(méi)有觀察到明顯的疤痕，聚乙二醇酸縫合的傷口出現(xiàn)了一些傷疤。用尼龍縫合的傷口尚未愈合，也形成了一些膿疤。相比于聚乙二醇酸縫合線，膽酸基聚氨酯的生物降解更快（圖4）。


圖4. 膽酸基聚氨酯樣品縫合大鼠傷口后經(jīng)紅外刺激響應(yīng)的自收緊過(guò)程，(b) 分別使用膽酸基聚氨酯樣品、聚乙二醇酸和尼龍縫合線縫合大鼠傷口后，經(jīng)過(guò)5天和10天的傷口表面圖像。


  作者還對(duì)傷口周?chē)钠つw做成的生理切片進(jìn)行了H&E染色，結(jié)果表明膽酸基聚氨酯和聚乙醇酸兩組縫合線比尼龍縫合線具有更好的組織相容性，且膽酸基聚氨酯和聚乙醇酸兩組的縫合線具有相差不大的組織相容性（圖5）。通過(guò)Masson染色，結(jié)果表明膽酸基聚氨酯和聚乙醇酸兩組的傷口比尼龍縫合線傷口部位具有更多膠原含量，可以促進(jìn)傷口更快的愈合（圖6）。


圖5.使用三種不同縫合線縫合大鼠傷口(a)5天和(b) 10天后對(duì)傷口部位進(jìn)行的H&E細(xì)胞染色圖。黃色箭頭：漿細(xì)胞；綠色箭頭：淋巴細(xì)胞；藍(lán)色箭頭：巨噬細(xì)胞。


圖6. 通過(guò)Masson染色圖像。利用三種不同縫合線縫合后10天的（a）傷口部位，（b）圖（a）中黃色區(qū)域的放大圖像，以及（c）圖（b）中的膠原過(guò)濾圖像。藍(lán)色區(qū)域：膠原纖維或細(xì)胞；紅色區(qū)域：毛囊或脂肪組織；黑色區(qū)域：細(xì)胞核。


  該研究成果以“Tunable Bio-Derived Skin-Like Shape Memory Fibers for Smart Suturing.”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。第一作者為華南理工大學(xué)劉歡碩士，通訊作者為北京師范大學(xué)的王考進(jìn)、賈永光和朱曉夏教授。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412565


  北師大團(tuán)隊(duì)招收研究生博士后：朱曉夏教授原任加拿大蒙特利爾大學(xué)化學(xué)系教授、加拿大國(guó)家一級(jí)講席教授(Canada Research Chair Tier I)，曾獲加拿大高分子科學(xué)與工程獎(jiǎng)。專(zhuān)注于利用天然分子通過(guò)綠色化學(xué)方法制備新型生物醫(yī)用高分子材料，在國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，并擁有多項(xiàng)專(zhuān)利。2023年全職回國(guó)入職北京師范大學(xué)珠海校區(qū)。課題組招收碩士、博士研究生和博士后研究員，專(zhuān)業(yè)為高分子材料、生物醫(yī)用材料、有機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域。博士后崗位待遇為30-50萬(wàn)（不包含學(xué)校交的五險(xiǎn)一金部分）。有意者請(qǐng)把個(gè)人簡(jiǎn)歷和研究介紹發(fā)送到wangkaojin@bnu.edu.cn。


  下載：Tunable Bio-Derived Skin-Like Shape Memory Fibers for Smart Suturing

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（責(zé)任編輯：xu）
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