韧带是一类致密结缔组织，其在控制关节运动、维持关节稳定和传递肌肉力量等方面具有重要的作用。然而，日常剧烈活动极易造成原生韧带的撕裂和损伤。全球范围内，每年每1250人中就有1人需要进行前交叉韧带重建手术。目前，临床上主要使用自体移植和同种异体移植韧带进行上述韧带重建手术。该类移植物具有高生物活性，易促进新骨组织的生长。然而，这类移植物通常稀缺，并易引起疾病传染和免疫反应。为此，临床上开始广泛使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基人工韧带。此类人工韧带来源丰富，且具有高化学稳定性和高机械强度。然而，该韧带生物活性较弱，在体诱导新骨生长能力差，极易导致骨道扩大和长期植入失效。因此，开发机械强度高且能与宿主骨骼良好整合的人工韧带至关重要。 

       针对上述问题，复旦纤维电子材料与器件研究院和高分子科学系彭慧胜团队与华山医院陈世益教授、复旦大学生命科学学院丁琛教授合作，通过仿生天然韧带的结构，基于多级螺旋碳纳米管纤维，构建了一类具有微纳米结构的人工韧带（HHF）。该人工韧带植入兔子、羊等大动物体内后，可有效促进新骨再生和骨道修复，展现了较强的骨整合能力。进一步，作者利用蛋白组学等方法系统揭示了HHF促进成骨的机制，即HHF内微纳米多尺度孔道结构可有效促进成骨相关信号通路的上调以及成骨相关蛋白的表达。上述研究以“Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement”为题于2023年5月发表在Nature Nanotechnology上。 

       近日，研究院团队在上述工作基础上，进一步发展了一类兼具高性能和低成本的高分子/碳纳米管复合纤维人工韧带（HCF），其由作为芯层的商业PET纤维和作为鞘层的取向碳纳米管薄膜组成（图1）。与商业PET人工韧带不同，HCF具有独特的微纳米通道，可有效促进新骨生成和在体骨整合，无需其他细胞或生长因子的辅助。相关工作以“High-performance artificial ligament made from helical polyester fibers wrapped with aligned carbon nanotube sheets”为题发表在Advanced Healthcare Materials上。该研究获得国家科技部、国家自然科学基金、上海科委及其博士后基金等资助。 

       具体来说，HCF作为实验组植入大鼠体内进行韧带重建，商业PET纤维作为对照组以相同条件植入体内。2周后，Micro-CT结果显示HCF实验组的骨道缩小了2.5％，而对照组骨道扩大了>50％。拔出实验表明，HCF与原生骨之间的界面强度较高，其拔出力大约为21 N，是商业PET纤维所需拔出力的1.4倍。此外，组织学结果显示，HCF周围及内部可观察到新骨组织和胶原束，而商业PET纤维与天然骨之间存在明显的间隙，无新生骨形成。最终，利用HCF重建的大鼠可以与正常大鼠一样站立、行走和奔跑。上述结果表明HCF可促进新骨形成，并具有较强骨整合能力。 

       此外，组织学研究结果表明HCF具有优异的生物相容性和在体结构稳定性。同时，HCF的原料来源广泛，并采用工业上常见的包绕工艺进行制备，成本较低，易于实现连续化生产。这种多级螺旋组装的仿生策略可以为人工韧带临床问题提供新思路，具有良好的临床应用潜力。

图1. 高分子/碳纳米管复合纤维人工韧带的结构。

图2. 高分子/碳纳米管复合纤维人工韧带促进骨道缩小。

图3. 高分子/碳纳米管复合纤维人工韧带促进新骨生成。