北师大（珠海）朱晓夏、贾永光团队 AFM：生物来源的类皮肤状形状记忆纤维用于智能缝合线

2024-09-19 来源：高分子科技

聚氨酯通常由硬段和软段组成，其具有较强的分子间相互作用、可调控的机械性能和易加工性，它们可呈现出形状记忆效应。对于生物医学应用而言，形状记忆聚氨酯的生物相容性仍有较大的提升空间。不可降解的聚氨酯手术缝合线在移除时通常会造成二次损伤，并在伤口处留下疤痕。尽管现阶段有源自脂肪族酸（如乳酸）的可降解聚氨酯，该类材料在降解时会在生物体内引发炎症反应。因此，设计具有良好生物相容性的形状记忆聚氨酯对于其临床应用具有重要意义。

最近，北师大朱晓夏、贾永光教授团队将动物来源的天然分子胆汁酸引入聚氨酯中作为硬段，以低分子量聚乙二醇作为软段，通过一锅法制备了一系列线性聚氨酯（图1）。胆汁酸衍生聚合物的降解产物具有较高的pK_a值（约5.0），不会引起酸性毒性。

图1.（a）胆酸基聚氨酯的合成路线，（b）红外光诱导自收缩缝合线，（c）胆酸基聚氨酯中的相互作用示意图。

研究表明，所制备的胆酸基聚氨酯的数均分子量可达150 KDa，断裂伸长率高达600%，拉伸强度可达37 MPa。因此，聚氨酯样品展现出了良好的加工性和机械性能（图2）。由于此样品具有较宽的玻璃化转变温度，其可以展现出双重、三重甚至多重形状记忆效应（图3）。最重要的是，作者利用猪皮展示了多重刺激响应的自收紧手术缝合线的应用潜力。如图3d所示，伤口被纤维状聚氨酯缝合的较为松散。将其加热至50 °C或使用红外激光照射40秒，伤口可以被缓慢的自收紧。

图2. 胆酸基聚氨酯的易加工性和力学性能。通过(a)浸涂和(b)静电纺丝加工技术制备的管状聚氨酯产品。(c) 含不同分子量聚乙二醇的制备的聚氨酯的应力-应变曲线（拉伸速度为100 mm/min），(d)不同拉伸速度下的应力-应变曲线。

图3. 胆酸基聚氨酯的形状记忆性能：(a) 样品可在80 °C下5秒后即可恢复到原来形状，(b)双重形状记忆曲线。(c)三重和四重形状记忆效应的恢复过程，以及(d)热响应和红外响应的自紧缩手术缝合线的应用。

为了进一步证实此样品作为智能缝合线的优势，作者将胆酸基聚氨酯与商业化的聚乙二醇酸、尼龙缝合线分别对大鼠的伤口进行缝合。研究结果表明，用808 nm波长的红外激光照射30秒，聚氨酯样品会自收紧。缝合后10天，用胆酸基聚氨酯和聚乙二醇醋酸酯缝合的伤口已达到临床愈合，且胆酸基聚氨酯缝合的伤口没有观察到明显的疤痕，聚乙二醇酸缝合的伤口出现了一些伤疤。用尼龙缝合的伤口尚未愈合，也形成了一些脓疤。相比于聚乙二醇酸缝合线，胆酸基聚氨酯的生物降解更快（图4）。

图4. 胆酸基聚氨酯样品缝合大鼠伤口后经红外刺激响应的自收紧过程，(b) 分别使用胆酸基聚氨酯样品、聚乙二醇酸和尼龙缝合线缝合大鼠伤口后，经过5天和10天的伤口表面图像。

作者还对伤口周围的皮肤做成的生理切片进行了H&E染色，结果表明胆酸基聚氨酯和聚乙醇酸两组缝合线比尼龙缝合线具有更好的组织相容性，且胆酸基聚氨酯和聚乙醇酸两组的缝合线具有相差不大的组织相容性（图5）。通过Masson染色，结果表明胆酸基聚氨酯和聚乙醇酸两组的伤口比尼龙缝合线伤口部位具有更多胶原含量，可以促进伤口更快的愈合（图6）。

图5.使用三种不同缝合线缝合大鼠伤口(a)5天和(b) 10天后对伤口部位进行的H&E细胞染色图。黄色箭头：浆细胞；绿色箭头：淋巴细胞；蓝色箭头：巨噬细胞。

图6. 通过Masson染色图像。利用三种不同缝合线缝合后10天的（a）伤口部位，（b）图（a）中黄色区域的放大图像，以及（c）图（b）中的胶原过滤图像。蓝色区域：胶原纤维或细胞；红色区域：毛囊或脂肪组织；黑色区域：细胞核。

该研究成果以“Tunable Bio-Derived Skin-Like Shape Memory Fibers for Smart Suturing.”为题发表在Advanced Functional Materials上。第一作者为华南理工大学刘欢硕士，通讯作者为北京师范大学的王考进、贾永光和朱晓夏教授。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412565

北师大团队招收研究生博士后：朱晓夏教授原任加拿大蒙特利尔大学化学系教授、加拿大国家一级讲席教授(Canada Research Chair Tier I)，曾获加拿大高分子科学与工程奖。专注于利用天然分子通过绿色化学方法制备新型生物医用高分子材料，在国际权威期刊上发表学术论文300余篇，并拥有多项专利。2023年全职回国入职北京师范大学珠海校区。课题组招收硕士、博士研究生和博士后研究员，专业为高分子材料、生物医用材料、有机化学等领域。博士后岗位待遇为30-50万（不包含学校交的五险一金部分）。有意者请把个人简历和研究介绍发送到wangkaojin@bnu.edu.cn。

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

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（责任编辑：xu）

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