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神奇的蜘蛛丝 新骨修复复合材料的关键

来源:新材料在线 2018-05-01 12:35





研究人员发明了一种由丝纤维制成的可生物降解的复合材料,它可以用来修复断裂的承重骨,并且不会产生像其他材料那样产生并发症。

康涅狄格大学研制的一种新型骨修复复合材料的三维效果图。 该复合材料由丝纤维和聚乳酸纤维制成,在保持柔韧性的同时,还涂上了优良的生物陶瓷颗粒。这种生物可降解的复合材料可以帮助愈合骨骼,而不会产生像金属部件那样所造成的并发症。

修复主要的负重骨骼如腿部骨骼,可能会是一个漫长且艰难的过程。

为了便于修复,医生有时会安装一块金属板以便在骨骼愈合时支撑骨骼。但这可能有问题。一些金属将离子注入周围组织,这将引起炎症和刺激。另外,金属也很坚硬。如果一个金属板在腿部承受了过多负荷,新的骨骼可能会变得更脆弱,更易发生骨折。

为了寻找解决这个问题的方法,材料科学家、生物医学工程师Mei Wei教授求助于蜘蛛和飞蛾以求寻找灵感。Wei尤其关注丝素蛋白—这是一种在蜘蛛和飞蛾的丝纤维中所发现的蛋白质,以其良好的韧性和拉伸强度而闻名。

医学界早就意识到了丝素蛋白的存在。由于它较高的强度和良好的可生物降解性,是医用缝合线和组织工程中常见的组成部分。然而没有人尝试过将其制成致密的聚合物材料,而Wei知道如果她要制造一种更好的设备来修复断裂的承重骨,那么丝素蛋白是其关键所在。

在与康涅狄格大学的机械工程师Dianyun Zhang教授合作的过程中,Wei教授的实验室开始测试各种复合材料中的丝素蛋白,通过寻找不同材料的正确组合和比例,以达到最佳的强度和柔韧性。新的合成物当然需要其强度高。硬度大。但也不需要强度过高硬度过大,否则会抑制致密骨骼的生长。与此同时,复合材料需要具有柔性,使患者能够在骨头愈合的同时,还能保持其运动和移动的自然范围。

经过几十次测试,Wei和Zhang发现了他们要找的材料。这种新型复合材料由长丝纤维和聚乳酸纤维(一种由玉米淀粉和甘蔗制成的可生物降解热塑性塑料)组成,浸渍在溶液中,每种溶液均涂有磷灰石制成的细微生物陶瓷颗粒(在牙齿和骨头中所发现的磷酸钙矿物质)。然后将涂覆的纤维分层堆积在小的钢框架上,并在热压缩模具中压制成致密的复合棒。

在最近发表在《生物医学材料力学行为》上的一篇研究报告中,Wei报告说,高性能的生物可降解复合材料显示出较高的强度和良好的柔韧性,这是同类生物材料在文献中所记录过的最高数值。另外,它们的性能会变得更为优异。

Wei也是工程学院副院长,一直致力于科研和研究生教育,说道:“我们的研究结果表明:这种新型复合材料具有非常高的强度和柔性。但我们认为,如果我们能让每个组件都达到我们的目标,我们将会得到更好的结果。”

新的复合材料也具有韧性。成年人和老年人的大腿骨可能需要几个月才能痊愈。Wei的实验室所开发的复合材料完成了它的工作,然后在一年后开始降解。不需要手术去除。

加入Wei和Zhang的研究团队的还有Bryant Heimbach,他是Wei实验室的博士生和材料科学家,还有来自康涅狄格大学(UConn)攻读材料科学与工程学位的Beril Tonyali。

该研究小组已经开始测试复合材料的新衍生物,包括那些将磷灰石的单晶形式用于更大强度的化合物,以及一种涂层混合物的变化,以使其具有更大重量的骨骼力学性能最大化。(生物谷Bioon.com)

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