西安工程大学樊威/清华大学张莹莹《Adv. Mater.》：全蚕丝基人造骨

2024-03-05 来源：高分子科技

金属及合金是目前骨外科手术中应用最为广泛的材料，这是因为金属相比较于陶瓷和聚合物来说，其机械性能高和耐腐蚀性能强。然而，美中不足的是，金属与合金（~110 GPa）和人体骨（3~20 GPa）之间的弹性模量相差较大，从而会发生应力屏蔽效应，对骨骼结构造成压力，进而导致金属植入物的松动和最终失效。此外，金属植入物可能会引起机体免疫反应而增加感染风险并减缓伤口愈合，而且其植入体内后难以降解，通常需要进行二次手术取出。

蚕丝作为一种天然的蛋白质高分子材料，具有优良的生物相容性、生物降解性、加工性和低廉的成本，广泛应用于外科缝合线、人造皮肤、肌肉、血管、骨骼等生物医学领域。更重要的是，蚕丝的杨氏模量（8.9~17.4 GPa）和密度（1.3~1.4 g/cm³）比金属基或陶瓷基人造骨更接近人骨（3~20 GPa, 1.8~2.0 g/cm³）。

为此，西安工程大学樊威教授团队与清华大学张莹莹教授团队巧妙地利用了蚕丝（Silk II结构）与丝素（Silk I结构）之间结晶度的差异，将脱胶蚕丝织物与再生丝素热压制备了一种丝素自增强复合材料（SFS）。在高压和高温下，材料的自由能变化（吉布斯自由能G=U+PV-TS）可使材料中的相或分子结构发生改变。在热压过程中，具有超低β片含量的再生丝素通过氢键、范德华力和静电力与蚕丝织物发生重排、自组装并紧密结合在一起。蚕丝织物和再生丝素同为丝素蛋白，因此，两者之间形成了几乎完美的界面结合状态，具有优异的力学性能。SFS通过调整增强体结构与基体的比例，可以定制其力学性能和密度，以适应人体不同部位骨植入的要求。更重要的是，SFS具有促进成骨细胞增殖和提高成骨细胞活性的能力，并且可随着骨愈合在体内逐渐降解，无需二次手术切除，避免了患者的二次疼痛，节省了医疗费用。可以说本工作是利用最便宜的材料（蚕丝）做了最昂贵的事情（人造骨）。

图1为SFS的加工过程与样品。首先将蚕丝纤维进行脱胶、溶解、透析、冷冻干燥、研磨等工序得到再生丝素粉末，然后将再生丝素粉末与脱胶后的蚕丝织物进行铺层和热压，最终得到SFS。SFS具有优异的可加工性能，可以加工成螺钉、内接骨板等任意形状。

图1 全蚕丝基人造骨的制备及形貌

图2 全蚕丝基人造骨的表征及成型机理

如图2所示，TG和DSC确定了丝素的热压温度范围（图2a-b），通过拉曼、XRD和FTIR分析可以发现在热压前后丝素结晶和构相的转变（图2c-f）。XPS分析表明在热压前后SFS并未生成新的化学键（图2g-j）。最后揭示了丝素之间是通过氢键作用、范德华力和静电吸附而紧密结合在一起的，进而形成了界面性能优异的SFS（图2k）。

图3 全蚕丝基人造骨的力学性能

如图3所示，SFS的拉伸强度最高为106.5 MPa，弯曲强度最高为234.4 MPa（图3a-b）。SFS的韧性范围为1.0-12.8 MJ/m³（图3c）。SFS的力学性能与TC4钛合金相比更接近人体皮质骨，满足骨折部位固定的需求，且不会产生应力屏蔽作用（图3d）。SFS截面的纳米压痕（图3e-f）和AFM（图3g-i）测试表明复合材料的刚度从纤维到基体逐渐下降，而不是在界面处急剧下降。梯度界面层有助于将应力从基体传递到纤维增强体，进一步提高复合材料的机械性能，这也是SFS具有优异机械性能的原因所在。

图4 全蚕丝基人造骨力学性能的有限元模拟

如图4所示，在Abaqus软件中建立了SFS的代表性体积单元（RVE）模型（图4a）。无界面的100L SFS的有限元模拟的拉伸强度（120.5 MPa）比实验值（114.8 MPa）大5.0%，而有界面的100L SFS的有限元模拟的拉伸强度（101.3 MPa）比实验值低11.8%，这说明界面性能不佳会降低复合材料的机械性能（图4b）。当界面完美时，SFS的主要破坏模式是纤维和基体的破坏。当SFS被拉伸时，应力主要集中在其中部（图4c）。将界面引入模型后，界面脱粘成为SFS失效的主要原因。应力集中在纤维和基体的交界处。界面结合不良的区域更容易发生分层破坏，导致SFS整体损坏（图4d）。SFS的拉伸破坏形貌进一步证实了上述观点（图4e-g）。

图5 全蚕丝基人造骨的体外成骨性能

如图5所示，细胞粘附在三种支架表面，100L SFS和纯再生丝素（RS bulk）上的细胞伪足数量相较于TC4钛合金支架表面的数量更多（图5a-c），且具有显著性差异（图5p）。免疫荧光DAPI染色结果显示，100L SFS、RS bulk和TC4钛合金上粘附的MC3T3-E1细胞数量逐步增加，且100L SFS和RS bulk支架上的细胞增殖情况更盛（图5d-i）。从活细胞/死细胞的染色结果可以看出，100L SFS和RS bulk的细胞存活率和细胞存活数明显高于TC4钛合金（图5j-o）。100L SFS支架上MC3T3-E1细胞的ALP活性明显高于TC4钛合金和对照组（图5q）。100L SFS支架上的钙盐沉积量也明显高于RS bulk、TC4钛合金和对照组（图5r）。100L SFS支架上MC3T3-E1细胞的ALP（图5s）、OCN（图5t）和RUNX2（图5u）的表达显著高于其他三组，表明100L SFS在促进成骨分化方面更具优势。

图6 全蚕丝基人造骨的体外生物降解性和体内生物相容性

如图6所示，体外降解30天后SFS的残留质量比为RS bulk > 100L > 50L > 15L > 165L SFS（图6a-c），这表明SFS的降解速率可以通过调节真丝织物的含量来调节。随着织物含量的增加，SFS内部会形成多个界面，降解溶液沿着界面通道进入SFS，导致降解加速（图6d）。经过定位、钻孔、植入和缝合后，将其植入新西兰兔的股骨远端（图6e-f）。显微CT成像显示，SFS骨钉在4周后仍完好无损地留在股骨内（图6g）。染色硬组织切片显示，SFS周围形成了新的骨结构，且没有产生炎症反应（图6h和6i）。

SFS不但具有可控的力学性能、优异的生物相容性、成骨性和生物降解性，而且其原材料和加工过程成本很低，因此，SFS具有取代传统金属或陶瓷植入物的巨大潜力。

该工作以“Silk-fabric reinforced silk for artificial bones”为题发表在《Advanced Materials》上。第一作者为西安工程大学硕士研究生陆琳琳，共同第一作者为西北工业大学刘旭庆教授，通讯作者为西安工程大学樊威教授，共同通讯作者为清华大学张莹莹教授，合作者包括西安交通大学王淑娟副教授，西安交通大学第一附属医院刘俭涛博士，南京林业大学葛省波副教授、西安工程大学魏同学高级工程师，西安工程大学硕士研究生孙岩、张海洋、苏金辉。该工作得到国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金、陕西省高校青年创新团队与西安市中心医院项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202308748

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（责任编辑：xu）

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