这篇研究论文于2021年4月7日发表在期刊《Science Advances》（《科学进展》）上，题为“Bioinspired tough gel sheath for robust and versatile surface functionalization”（《用于稳健、通用表面功能化的仿生坚韧凝胶鞘》）。主要作者为Zhenwei Ma（第一作者，通讯作者之一）和 Jianyu Li（通讯作者），研究团队主要来自加拿大麦吉尔大学（McGill University）的多個院系，包括机械工程系、牙科学院、化学工程系，以及来自魁北克大学国立科学研究院的合作者。

学术背景

这项研究属于生物医学工程和材料科学的交叉领域，核心目标是解决外科缝合线在临床应用中的关键局限性。

目前临床上广泛使用的缝合线，无论是可降解的（如聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA、胶原蛋白）还是不可降解的（如尼龙、聚丙烯），都面临两个根本问题：第一是生物力学性能不匹配。缝合线是由刚性、干燥的材料制成（弹性模量 > 1 GPa），而人体组织是柔软、水合的（弹性模量 < 100 kPa）。这种巨大的刚度差异会导致组织炎症、刺激和愈合不良。此外，缝合线（尤其是编织线）粗糙的表面在穿过组织和植入后，会对脆弱或病变组织（如动脉瘤、溃疡附近）产生拖拉和摩擦，造成组织微创伤和并发症。第二是功能单一。常规缝合线仅作为被动机械装置，缺乏感知、响应和促进伤口愈合的先进功能（如预防感染、监测伤口状况、可控释放药物等）。虽然已有一些功能化策略（如药物洗脱涂层），但它们往往以牺牲缝合线本体强度为代价，或者形成的涂层脆弱易碎、易分层剥落，无法承受缝合打结过程中的高机械负荷。

因此，研究人员亟需一种既不影响缝合线本体强度，又能提供强大粘附力、耐受苛刻机械操作，并能集成多种功能的稳健表面功能化策略。本研究的灵感来源于人体肌腱的腱内膜鞘（endotenon sheath）。该结构包裹并粘合胶原纤维，其本身坚韧且与纤维结合牢固，归功于其双网络结构：透明质酸-蛋白聚糖网络负责与胶原纤维结合，而弹性蛋白网络负责增韧。受此启发，研究团队提出为缝合线设计一个“坚韧凝胶鞘”（Tough Gel Sheath, TGS），旨在无缝结合商业缝合线的力学性能、水凝胶的生物相容性与柔韧性，以及多种功能材料的特性，实现“一平台多功能”。

研究流程与方法细节

本研究包含设计、制备、表征、功能化验证以及活体评估等多个详细步骤。

1. TGS缝合线的仿生设计与制备 研究目标：开发一种能够强力粘附于商业缝合线表面的双网络水凝胶鞘。 方法流程： * 材料选择：以常用的编织缝合线“涂层薇乔线”（Coated Vicryl，材料为聚乳酸羟基乙酸910，表面涂有聚乳酸370和硬脂酸钙）为基底。选择具有高韧性和良好生物相容性的海藻酸钠-聚丙烯酰胺（alginate-PAAM）水凝胶作为TGS主体。 * 核心策略：设计双网络结构。一个锚定网络（anchoring network） 负责在缝合线表面形成共价键，实现强粘附；另一个增韧网络（toughening network） 通过物理交联耗散能量，提供高韧性。这与以往仅靠表面吸收、单层聚合物接枝或基于单一网络水凝胶的策略截然不同。 * 具体制备步骤（两步法）： a. 缝合线表面预处理与锚定： - 表面活化：将原始缝合线浸入1 M NaOH溶液中处理一段时间（通常2分钟）。NaOH水解缝合线表面的酯键，产生羧酸基团。 - 表面引发：将活化后的缝合线置于充满壳聚糖（富含伯氨基）、碳二亚胺（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）溶液的毛细玻璃管中，反应10分钟。EDC/NHS作为偶联剂，促进壳聚糖的氨基与缝合线表面的羧基形成酰胺键，从而在缝合线表面构建起富含反应性基团的锚定网络。 b. 增韧网络原位聚合： - 灌注前驱体溶液：将含有海藻酸钠、丙烯酰胺单体、交联剂（MBAA）、引发剂（APS）和加速剂（TEMED）的混合溶液注入毛细管，替换掉壳聚糖溶液。毛细管的直径决定了最终凝胶鞘的厚度。 - 凝胶化与后交联：让反应在室温下进行过夜，完成聚丙烯酰胺网络的自由基聚合。随后，将获得的凝胶鞘缝合线浸入0.1 M CaCl₂溶液中，使海藻酸钠发生离子交联，进一步增强网络。 * 适用性扩展：该方法成功应用于其他缝合线材料（如天然可降解的肠线、合成不可降解的尼龙线）和其他水凝胶体系（如壳聚糖-聚丙烯酰胺），证明了其广泛适用性。

2. 界面粘附强度的表征与机理研究 研究目标：定量评估TGS与缝合线之间的粘附能，并揭示其强粘附的机理。 方法流程： * 自定义“拉拔测试”（Pull-out test）：这是本研究开发的一种新颖实验方法。将一端包埋在长方形水凝胶块中的缝合线用Instron力学测试机拉出，同时记录力（F）与位移（δ）。为了模拟真实约束，将水凝胶块的两个对立面粘在刚性亚克力板上。实验观察到，即使在大位移下（20mm vs. 30mm粘合长度），界面仍能保持，且拉出后仍有部分凝胶牢固附着在缝合线上。 * 粘附能计算模型：研究者开发了一个分析模型来计算临界能量释放率（即粘附能Γ）。公式为：Γ = [Ug * (rtot² - rs²)] / (2 * rs * l)。其中，Ug是从力-位移曲线积分得到的凝胶中储存的应变能密度，rtot是凝胶鞘外径，rs是缝合线半径，l是粘合长度。 * 对照实验设计：为了阐明双网络各自的贡献，进行了系统对照： - 无增韧网络：仅用脆性单网络水凝胶（单纯海藻酸钠或单纯聚丙烯酰胺）做涂层。 - 无锚定网络：省略NaOH处理或壳聚糖/EDC/NHS引发步骤。 - 不同活化时间：改变NaOH处理时间（2， 5， 10分钟），研究其对粘附能和缝合线强度的影响。 * 有限元建模（FEM）：建立了轴对称有限元模型，模拟拉拔过程。增韧网络用包含穆林斯效应（Mullins effect）的Ogden超弹性模型描述；锚定网络的界面用具有本征粘附韧性Γ₀的cohesive单元模拟。通过改变凝胶鞘厚度（rg/rs）和Γ₀，研究其对整体粘附能的影响，并从剪切应力分布角度解释失效机制。

3. 生物力学性能评估 研究目标：验证TGS能否改善缝合线与组织接触时的生物力学性能（刚度、摩擦、拖拉）。 方法流程： * 拉伸强度测试：使用Instron对原始缝合线和TGS缝合线进行单轴拉伸，确保TGS处理不损害缝合线的核心承载能力。 * 表面刚度测量：使用原子力显微镜（AFM）配备细胞尺寸的球形探针，对TGS表面进行微压痕测试，采用赫兹接触模型计算表面弹性模量。 * 组织拖拉系数测试：开发定制化的离体拖拉测试。将缝合线穿过固定的猪组织片（心、肝、皮肤），一端固定，另一端连接力学测试机，以恒定速度循环拉动。通过计算特定公式（(Fa - Fd)/(Fa + Fd)）得出拖拉系数，其中Fa和Fd分别为上、下行阶段的平均力。 * 摩擦系数测试：针对关节软骨的应用场景，设计定制化装置。将猪关节软骨上表面粘在可垂直滑动的横梁上，下表面与作为对偶材料的聚二甲基硅氧烷（PDMS）片接触，并施加法向载荷。拉动PDMS片，测量摩擦力，计算摩擦系数（μf = Fp / Fc）。对比了完整软骨、用原始缝合线缝合的软骨以及用TGS缝合线缝合的软骨的摩擦行为。

4. 多功能化验证 研究目标：展示TGS作为通用平台，可集成多种功能材料，实现抗感染、伤口监测、药物释放和生物成像等功能。 方法流程： * 抗感染功能： - 抗粘附：将原始缝合线和TGS缝合线分别与革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌，S. aureus）和革兰氏阴性菌（铜绿假单胞菌，P. aeruginosa）共孵育，用活/死细菌染色试剂盒处理后，用共聚焦显微镜观察并定量粘附的细菌总数。 - 抗菌：将TGS缝合线浸泡在苯扎氯铵（BZK，一种季铵盐类抗菌剂）溶液中负载药物，然后进行上述细菌共孵育实验，评估其杀菌率。 * 伤口pH监测功能：将负载有pH响应染料（亮黄）的介孔树脂微珠掺入TGS前驱体溶液中，制备pH敏感TGS缝合线。将其浸泡在不同pH值的缓冲液中，肉眼观察颜色变化，并通过图像分析软件量化灰度值。 * 药物释放功能：以异硫氰酸荧光素标记的牛血清白蛋白（FITC-BSA）作为模型药物。 - 负载：通过浸涂法负载于预处理过的原始缝合线；通过直接混合于前驱体溶液负载于TGS缝合线。 - 释放：将样品置于去离子水中，在37℃避光孵育。在不同时间点取样，用酶标仪测量荧光强度，通过标准曲线计算累积释放量和负载量。 * 近红外（NIR）生物成像功能： - 纳米颗粒合成：使用课题组先前开发的、在近红外二区（NIR-II，1000-1350 nm）发射荧光的核壳结构纳米颗粒（MSiO₂@PbS/CdS-Fe₃O₄）。 - 负载与成像：将该荧光纳米颗粒掺入TGS中。搭建离体成像系统：用806 nm激光激发，通过不同厚度的猪组织覆盖层，用配备长通滤光片的近红外相机记录缝合线的荧光信号，评估其组织穿透成像能力。

5. 体内生物相容性与伤口愈合评估 研究目标：在活体动物模型中验证TGS缝合线的安全性及有效性。 方法流程： * 皮下植入生物相容性：将原始缝合线和TGS缝合线打结后，植入大鼠背部皮下。在第7天和第14天处死动物，取出缝合线及周围组织，进行组织学处理（H&E染色）。由经验丰富的病理学家在不知分组的情况下，对炎症程度（0-5级）、细胞浸润、异物巨细胞等指标进行盲法评估。 * 皮肤伤口闭合：在大鼠背部制造四个全层皮肤切口，分别用原始缝合线和TGS缝合线以间断缝合方式闭合伤口。7天后处死，对伤口区域进行宏观评估和组织学分析，检查伤口愈合情况（一期愈合、炎症、纤维化）。

主要研究结果

1. 成功制备了具有强大界面粘附的TGS缝合线。扫描电镜显示凝胶鞘与缝合线界面结合紧密。拉拔测试测得，基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺的TGS与聚乳酸羟基乙酸910缝合线的粘附能超过1000 J m⁻²，当NaOH处理时间延长至10分钟时，粘附能可超过2000 J m⁻²。这是已知的水凝胶与纤维基材料间最坚韧的界面之一。
2. 强粘附机理得到证实。对照实验表明，仅使用单网络水凝胶或省略锚定步骤，粘附能均低于50 J m⁻²。证明强粘附源于锚定网络（共价键合） 与增韧网络（能量耗散） 的协同作用。有限元模拟结果与实验趋势一致，并揭示了当凝胶鞘相对较薄时，界面同时脱粘，增韧体积随厚度增加而提高粘附能；当凝胶鞘过厚时，能量耗散局限于裂纹尖端，粘附能反而下降。
3. 生物力学性能显著改善：
   • 不损强度：经过优化的短时间NaOH处理，TGS缝合线保持了与原始缝合线相当的拉伸强度（约3 GPa）。
   • 大幅降低表面刚度：AFM测量显示TGS表面弹性模量约为7 kPa，相比原始缝合线的~68 MPa（接近组织刚度）降低了约4个数量级，极大缓解了力学失配。
   • 显著减少组织拖拉和摩擦：离体测试表明，TGS缝合线在各种组织上的拖拉系数比原始缝合线低2-3倍。在关节软骨摩擦测试中，TGS缝合线的摩擦系数与完整软骨相当，且显著低于原始缝合线，表明其能有效减轻对敏感组织的机械刺激。
4. 多功能化验证成功：
   • 抗感染：TGS缝合线本身因聚丙烯酰胺的细胞排斥特性，对两种测试细菌的粘附量显著低于原始缝合线。负载BZK后，杀菌率超过99%。
   • pH监测：负载pH敏感微珠的TGS缝合线，在不同pH溶液（pH 5-9）中表现出肉眼可见的明显颜色变化，可用于伤口状态监测。
   • 药物释放：相比简单的浸涂法，TGS缝合线对模型蛋白药物FITC-BSA的负载量更高，且释放曲线更为平缓持久，展示了其作为局部药物递送平台的优越性。
   • NIR成像：负载荧光纳米颗粒的TGS缝合线在NIR-II窗口发射强荧光，即使在3 mm厚的猪组织覆盖下，仍能被清晰成像，展示了在深部组织手术中引导缝合线定位和成像的潜力。
5. 体内实验证实良好的生物相容性与有效性：
   • 皮下植入：组织学评估显示，植入14天后，TGS缝合线仅引起非常轻微或无炎症反应，显著优于原始缝合线（后者表现出更明显的细胞浸润和异物巨细胞反应）。TGS与缝合线结合完好，无细胞渗入。
   • 伤口愈合：使用TGS缝合线闭合的大鼠皮肤切口实现了良好的一期愈合，宏观和组织学评估结果与使用原始缝合线相当，且未观察到感染迹象。缝合打结过程中凝胶鞘保持完整。

结论与意义

本研究提出并成功验证了一种受生物启发的、通用的“坚韧凝胶鞘”（TGS）策略，用于对以缝合线为代表的纤维基器件进行稳健的多功能表面功能化。其核心价值在于： 1. 解决了关键工程难题：通过仿生双网络设计，首次实现了水凝胶与商业缝合线之间超强（>2000 J m⁻²）且坚韧的粘附，该界面能承受缝合打结的严苛力学考验。 2. 显著提升了器件性能：在不牺牲缝合线拉伸强度的前提下，TGS赋予了缝合线组织般的柔软表面和优异的润滑性，从根本上缓解了传统缝合线因刚度和摩擦引起的组织损伤问题，有望减少手术并发症。 3. 构建了多功能集成平台：TGS作为一个稳健的载体，可灵活负载抗菌剂、传感器、药物、荧光探针等多种功能材料，在单一平台上实现了抗感染、监测、治疗和成像的融合，为“智能”缝合线和先进伤口管理提供了全新解决方案。 4. 展示了广泛适用性：该方法适用于不同材质（可降解/不可降解）、不同结构（单丝/编织）的缝合线，以及多种水凝胶体系。其原理可扩展至其他纤维基器件，如导丝、智能纺织品、3D打印支架等，具有广阔的跨领域应用前景。

研究亮点

1. 仿生设计创新：从肌腱腱内膜鞘的结构-功能关系中汲取灵感，创造性地提出“锚定网络+增韧网络”的双网络凝胶鞘设计理念。
2. 界面粘附突破：实现了水凝胶与惰性高分子纤维之间前所未有的高粘附能（>2000 J m⁻²），并开发了定量的拉拔测试方法和理论模型进行表征。
3. “鱼与熊掌兼得”的性能组合：同时实现了高强韧界面、保留纤维本体强度、极大降低表面刚度/摩擦、以及多功能集成，这些在过去往往是相互矛盾的设计目标。
4. 功能高度集成与验证全面性：在一项研究中系统地演示了从抗感染、实时监测、可控释药到深部成像的多种先进功能，并通过详尽的离体、体内实验进行了验证，展示了强大的转化潜力。
5. 方法通用性强：提出的两步法简单有效，为纤维基器件的表面功能化提供了一个通用的平台型技术，有望推动从手术器械、植入设备到软体机器人等多个领域的发展。