复旦大学法学，复旦大学法学院
韧带损伤经常需要更换；然而，目前的合成材料存在骨整合不佳，导致种植体失败的问题。
2023年5月4日，复旦大学彭慧胜、丁琛、陈培宁、孙雪梅及陈世益共同通讯在Nature Nanotechnology（IF=40）在线发表了题为“Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement”的研究论文，该研究介绍了一种人工韧带，它具有所需的力学性能，可以与宿主骨结合，恢复动物的运动。
韧带由排列整齐的碳纳米管组装而成，形成层次化的螺旋纤维，带有纳米和微米通道。在前交叉韧带置换模型中观察到人工韧带的骨整合，临床聚合物对照显示骨吸收。兔、羊模型植入术13周后，动物可以正常奔跑、跳跃。该研究证明了该人工韧带的长期安全性，并探索了参与整合的途径。
韧带和肌腱由纤维结缔组织组成，对关节的运动和稳定至关重要。韧带连接骨头，而肌腱连接肌肉和骨头。因为这些组织传递高张力，所以它们必须强壮、灵活和稳定。由有机分子组成的天然韧带在剧烈运动中容易受到高负荷损伤。每年，全世界约有1 / 1250人需要手术重建前交叉韧带(ACL)。对于力传递结缔组织的有效功能恢复来说，获得机械强度高且与宿主骨结合良好的移植物以承受剧烈关节运动下的高负荷是至关重要的，也是具有挑战性的。
自体移植物和同种异体移植物被认为是ACL手术重建的最佳选择，因为它们具有内在的生物活性，促进细胞增殖和新组织生长。然而，它们通常是稀缺的，并可能遭受潜在的风险，如供体部位发病率和疾病传播。合成聚合物移植物，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚己内酯也被设计用于临床实践。然而，聚合物移植物寿命较差，因为它们通常在体内降解和/或变弱。
更重要的是，合成聚合物是惰性的，并且在诱导骨愈合的成骨方面很差，导致骨隧道扩大和移植物失败，需要翻修手术。通过植入培养细胞和/或转化生长因子来实现惰性聚合物移植物的生物功能被广泛用于促进成骨。然而，骨整合不足仍然是一种常见的经验。这些手术也很昂贵，并可能导致意想不到的并发症，如异位骨形成和炎症。实现与硬骨有效结合的强而持久的高性能移植物仍然是一个未满足的需求。
天然韧带和HHF的层次结构（图源自Nature Nanotechnology）
天然组织具有独特而高效的功能，这是由于其各向异性的结构，通常由按层次有序组织的有机成分组成。例如，韧带是由纳米大小的胶原原纤维组织成微米大小的胶原纤维和束下束的层次结构。胶原原纤维和纤维的纵向排列加强了韧带，使其能够转移关节运动产生的高应力负荷。胶原原纤维之间的纳米尺度通道和胶原纤维束之间的微米尺度通道为细胞的附着和增殖提供了良好的环境，促进了间充质干细胞(MSCs)的募集分化。该研究团队假设，如果这种分层排列的结构可以由强大的一维构建块组装成多尺度通道，那么就有可能获得强大的合成移植物，同时为细胞和组织的生长提供合适的环境，从而实现有效的生物整合。
使用HHF进行ACL重建恢复了大型动物（绵羊）模型中的活动性（图源自Nature Nanotechnology）
该研究报道了这样一种高性能人工韧带，它由碳纳米管(CNTs)组装成层次螺旋纤维(HHFs)，具有与天然韧带相似的各向异性结构。该研究发现这些HHFs成功修复了兔和羊的ACL，有效地恢复了动物站立、行走和跳跃的能力。该研究结果表明在排列的纤维之间形成的纳米和微米通道被证明可以促进骨再生和骨隧道缺陷的完全修复。
https://www.nature.com/articles/s41565-023-01394-3
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