彭慧胜教授，2023年首篇Nature Nanotechnology！

人物介绍

彭慧胜，复旦大学高分子科学系主任、国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、国家有突出贡献中青年专家、国家重点研发计划首席科学家。主要在高分子纤维器件领域开展研究工作，创制了多尺度螺旋复合纤维，揭示了电荷在高曲率纤维表界面快速分离与传输的机制，提出了纤维电子器件的设计思想，赋予纤维发电、储能等全新功能，提出了高分子纤维电子新方向。

在Nature（3）、Nature子刊（8）、Nature Commun./J. Am. Chem. Soc./Angew. Chem. Int. Ed./Adv. Mater./Phys. Rev. Lett.（合计99）等期刊上发表了300多篇论文。SCI他引2万多次，H指数84，2018年起连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”。出版了4部专著。获授权国内外发明专利78项，其中36项实现了转让转化，制定了2项纤维器件行业标准。

其中，通过专利转让和与一批中外企业合作，开发出系列纤维材料与器件产品。指导的2名博士生因为博士学位论文获得国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）青年化学家奖、4名博士生获得美国材料研究学会（MRS）优秀博士生奖（2名金奖和2名银奖）、1名博士生获得全球创新创业总决赛亚军，指导的博士生还多次获得中国大学生年度人物、中国大学生自强之星、中国石油和化学工业联合会和科莱恩的CPCIF-Clariant可持续发展青年创新卓越奖等荣誉称号。

担任教育部科学技术委员会学部委员、《科学通报》副主编、ChemNanoMat编委会共同主席和Adv. Funct. Mater.编委。作为第一完成人，获得国家自然科学二等奖。

详见：https://penglab.fudan.edu.cn/

今日，彭慧胜教授团队在Nature Nanotechnology上以“Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement”为题创造性地提出一种以碳纳米管为主要材质的人工韧带，其在韧带损伤及其移植方面具有广阔的前景！

众所周知，韧带作为人体最主要的身体部位，损伤率极高，需要及时更换，但目前的合成材料存在骨整合问题，易导致移植失败。

在此，复旦大学彭慧胜教授，孙雪梅教授和陈培宁副研究员，复旦大学附属华山医院-运动医学科陈世益教授，复旦大学附属中山医院Chen Ding等人制备出一种理想的人造韧带，其具有所需的机械性能，且可以与宿主骨骼整合并恢复运动。

其中，人造韧带由排列的碳纳米管组装而成，碳纳米管形成带有纳米和微米通道的分层螺旋纤维。

研究表明，在前交叉韧带置换模型中观察到人工韧带的骨整合，更加重要的是，在兔子和绵羊模型中植入13周后发现其更高的拉出力，动物可以正常奔跑和跳跃，从而证明了人工韧带的长期安全性，并研究了整合过程所涉及的途径。

研究背景

韧带和肌腱由纤维结缔组织组成，对关节运动和稳定性至关重要。其中，韧带将骨骼连接在一起，而肌腱将肌肉连接到骨骼。由于这些组织传递高拉力，因此它们必须坚固，灵活和稳定。

由有机分子组成的天然韧带在剧烈运动的高负荷下很容易受损，但获得机械强度高并与宿主骨充分结合以承受剧烈关节运动下的高负荷，对于结缔组织的有效功能恢复既关键又具有挑战性。

研究表明，自体移植和同种异体移植被认为是前交叉韧带（ACL）手术重建中的最佳选择，但它们通常是稀缺的，并且可能遭受潜在的风险。聚合物移植物的寿命很差，进行移植到骨愈合方面很差，导致骨管扩大和移植失败。因此，实现与骨有效整合的高性能移植物仍然是一个未满足的需求。

天然组织的独特和高性能功能归因于其各向异性结构，其通常由分层组织的有机成分组成。例如，韧带是纳米大小的胶原纤维的层次结构，组织成微米大小的胶原纤维和亚束。（图1a），胶原纤维和纤维的纵向排列加强了韧带，使其能够从关节运动中转移高应力负荷。

胶原纤维之间的纳米级通道和胶原纤维和束之间的微米级通道为细胞附着和增殖提供了有利的环境，并促进间充质干细胞（MSCs）的分化。假设：如果这种分层排列的结构可以从一维构建块组装形成多尺度通道，就有可能获得强大的合成移植物，这也为细胞和组织生长提供了合适的环境，以实现有效的生物整合。

图文介绍

本文报告了一种高性能的人工韧带，其由碳纳米管（CNT）组装成具有类似于天然韧带的各向异性结构的分层螺旋纤维（HHF）。

研究表明，这些HHFs成功地修复了兔子和绵羊的前交叉韧带，有效地恢复了动物站立，行走和跳跃的能力。同时，排列的纤维之间形成的纳米和微米通道被证明是促进骨再生和缺陷完全修复的关键。

图1. 天然韧带和HHF的分层结构

HHF的组装和表征

由于碳纳米管具有生物相容性、重量轻、抗拉强度高和表面积大，构成人造韧带的基石。

首先，采用化学气相沉积和浮式化学气相沉积法制备了具有多壁结构的碳纳米管，直径为10nm（图1b）。同时，通过连续扭曲排列的CNT，组装成类似胶原纤维的螺旋状CNT纤维（图1c）。当这些多层初级纤维扭曲在一起时，从而获得了亚毫米级的次级CNT纤维，其相当于天然韧带中的亚束（图1d）。

进一步将次生纤维扭曲在一起，产生了毫米级的HHF（图1e，f），且在形成稳定的双螺旋结构后产生的残余应力可以忽略不计。

同时，HHF的直径可以通过改变初级和次级纤维的数量来轻松调整，且在排列的碳纳米管之间形成的数十到数百纳米的合成纤维通道。类似地，在对齐的初级纤维中发现了微米级的通道（图1h）和次级纤维（图1i）的分层组装螺旋。

结果显示，用于构建HHF的CNT纤维具有优于临床聚酯纤维和天然韧带的机械性能，并且结构稳定，可承受1000000次连续弯曲和复杂变形。更加重要的是，HHF表现出相似的模量（0.472±0.12 GPa）和刚度（79.43±7.46 N mm^-1）。

与此一致，HHF中应力分布的有限元模拟表明，内部的多级通道可以有效地适应碳纳米管的变形。这种机械特性使HHF具有固有的耐用性，适用于承重移植物。此外，对于体内使用，系统的实验分析表明，HHF在分子和组织学水平上都具有生物相容性和安全性。

图2. 在兔模型中使用HHF进行ACL重建

HHF促进体内骨整合

为了评估HHF与天然骨骼的生物整合，作者将HHF植入兔ACL重建模型中。结果表明，HHF植入后股骨和胫骨管均明显变窄（图2c，d），4周后胫骨管变窄29.9%，13周后变窄41.9%（图图2e）。

在第13周，胫骨管的平均直径（1.16 mm）小于HHF的直径（1.5 mm），新形成的骨骼完全占据了空间，有些还长成了HHF。再生骨具有与天然骨相同的管状微观结构，HHF和新骨之间没有明显的边界，表明发生了强烈的骨整合过程（图2d）。

相比之下，植入普通PET纤维后，股骨和胫骨管均出现明显增大。4周后胫骨管扩大45.0%，植入13周后扩大52.1%（图2e）。因此，上述HHF组和对照组之间的骨修复对比表明，纳米通道在骨整合中起着重要作用。

图3. HHF移植的生物整合与对照

作者进一步进行了一系列组织学分析，以了解植入的HHF诱导的骨整合过程。组织学结果表明，HHFs可以促进成骨细胞和破骨细胞的活性，以增强骨骼建模和重塑，并且在骨整合的早期阶段，HHFs周围和内部可以逐渐形成胶原束。

与PET移植观察到的骨缺损扩大相比，经过较长时间（18个月）的HHF植入后，隧道缺损连续修复至0.86 mm，致密的骨组织完全占据了HHF的隧道甚至微米通道。此外，血管和神经都在HHF的微米通道中形成，而PET移植物中很少发生血管和神经。

图4. HHF促进成骨

图5. 使用HHF进行ACL重建恢复了大型动物（绵羊）模型中的活动性

总之，本文展示的结果表明，分层排列的CNT纤维与天然骨骼的结合非常好，并且足够坚固，可以用作人造韧带。当用于替换兔的撕裂前交叉韧带时，再生的骨完全修复了骨隧道缺损，与临床聚合物移植物的大于50%扩大形成强烈对比。

此外，这些纤维促进股骨和胫骨隧道中新骨的形成，再生的骨骼显示出与天然骨骼相似的微观结构。

这项工作为多级螺旋人工韧带的临床转化人类带来了巨大的前景，为解决韧带-骨关节修复以承受高动态应力负荷的紧迫临床问题开辟了一条新途径。

作者相信，这种将材料扭曲成具有多个长度尺度的分层组件的策略可以推广到其他生物相容性和机械强度高的一维纳米材料或微材料，以获得类似的高性能人造组织。

文献信息

Wang, L., Wan, F., Xu, Y. et al. Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01394-3

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彭慧胜教授，2023年首篇Nature Nanotechnology！

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