从古埃及文明开始，手术缝线被人类广泛用于各种手术应用场景当中。然而，现有的缝线材料普遍缺少监测、干预和促进伤口愈合的功能，并且其力学性质与生物组织相差甚远。受人体肌腱中腱鞘结构的启发，加拿大麦吉尔大学李剑宇课题组开发了新的多功能手术缝线材料设计和制备方法，在体外测试及体内动物实验中的效果均优于现有技术。

图1 受人体肌腱启发的多功能手术缝线设计。

  功能材料在缝线上的粘附和持久性是手术缝线为代表的纤维状材料功能化的一大难题。同时坚硬锋利的缝线往往造成软组织的损伤和磨损。基于此，李剑宇团队提出一种新型的高韧粘性水凝胶多功能超薄涂层。这种涂层由一层锚定网络和一层韧性增强网络的双层水凝胶构成。这种设计实现了手术缝线和水凝胶之间的超韧界面，保证了手术操作过程中涂层的稳定性。

图2 强韧的缝线-水凝胶界面。

  这种设计可应用于各种水凝胶材料和缝线材料，包括聚乳酸-羟基乙酸共聚物 (PLGA), 胶原蛋白 (collagen)和尼龙 (nylon)。通过实验和有限元模拟，他们进一步揭示了水凝胶在纤维材料表面粘附和增韧机理。

图3 新型缝线展示了更好的仿生物机械性质。

  新型手术缝线在具有高强度机械性质的同时，还拥有了接近于软组织的表面机械性质。水凝胶的天然润滑属性使新型手术缝线可以极大地减少对生物组织的牵引和磨损，优于传统手术缝线。

图4 新型手术缝线的定制化和多功能化。

  并且，这种设计赋予了手术缝线功能化的各种可能。通过结合多种功能化材料，这种新型的手术缝线可以防止细菌感染，监测伤口愈合状况，并长期精确释放药物。相较而言，传统手术缝线的功能较为单一，通常只能用来缝合开裂的伤口。

图5 荧光缝线实现近红外皮下成像。

  通过融合荧光纳米颗粒，此新型荧光缝线还可用于近红外成像，实现对皮下伤口非侵入式监测。

图6 新型缝线在动物体内生物相容性和用于伤口缝合。

  为了进一步评价新型缝线的转化潜力，研究团队还使用动物实验测试新型缝线的生物相容性。实验表明，新型手术缝线在动物体内显示了优于传统手术缝线的生物相容性。他们也进一步展示了这种新型手术缝线可用于伤口缝合和促进愈合。

  这种受肌腱启发的多功能手术缝线成功地实现了传统手术缝线、高韧水凝胶和功能材料的有机结合，为创伤监测和护理提供了新的思路。这种材料设计也能用于其他手术器械、智能织物、可植入或可穿戴设备，以及软体机器人的功能化。

  以上工作发表于最新一期Science Advances上 (DOI: 10.1126/sciadv.abc3012) 。论文第一作者为加拿大麦吉尔大学机械系博士生马振威，合作者为魁北克大学马冬玲教授团队和麦吉尔大学健康中心首席病理学家高祖华，通讯作者为麦吉尔大学机械系加拿大研究讲席助理教授李剑宇。

  李剑宇教授团队长期致力于新型生物材料设计开发和机理研究，目前的研究方向包括生物材料力学、生物粘合剂、再生医学、手术器械和智能设备开发。

  原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abc3012

  相关前期工作包括：

· 第一个高韧性生物粘附剂：Science 2017, Tough adhesives for diverse wet surfaces

· 基于高韧性生物粘附剂的主动伤口敷料：Science Advances 2019, Bioinspired mechanically active adhesive dressings to accelerate wound closure

· 高韧性组织粘附的力学模拟和机理研究：Mechanics of Materials 2021, Tissue adhesion with tough hydrogels: Experiments and modeling

· 高韧性生物粘附剂的溶胀和断裂行为的研究：ACS Macro Letters 2021, Scaling behavior of fracture properties of tough adhesive hydrogels