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 研究人員發(fā)明了一種由絲纖維制成的可生物降解的復(fù)合材料，它可以用來修復(fù)斷裂的承重骨，并且不會(huì)產(chǎn)生像其他材料那樣產(chǎn)生并發(fā)癥。

圖片來源：由Bryant Heimbach/UConn

康涅狄格大學(xué)研制的一種新型骨修復(fù)復(fù)合材料的三維效果圖。該復(fù)合材料由絲纖維和聚乳酸纖維制成，在保持柔韌性的同時(shí)，還涂上了優(yōu)良的生物陶瓷顆粒。這種生物可降解的復(fù)合材料可以幫助愈合骨骼，而不會(huì)產(chǎn)生像金屬部件那樣所造成的并發(fā)癥。

修復(fù)主要的負(fù)重骨骼如腿部骨骼，可能會(huì)是一個(gè)漫長(zhǎng)且艱難的過程。

為了便于修復(fù)，醫(yī)生有時(shí)會(huì)安裝一塊金屬板以便在骨骼愈合時(shí)支撐骨骼。但這可能有問題。一些金屬將離子注入周圍組織，這將引起炎癥和刺激。另外，金屬也很堅(jiān)硬。如果一個(gè)金屬板在腿部承受了過多負(fù)荷，新的骨骼可能會(huì)變得更脆弱，更易發(fā)生骨折。

為了尋找解決這個(gè)問題的方法，材料科學(xué)家、生物醫(yī)學(xué)工程師Mei Wei教授求助于蜘蛛和飛蛾以求尋找靈感。Wei尤其關(guān)注絲素蛋白—這是一種在蜘蛛和飛蛾的絲纖維中所發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)，以其良好的韌性和拉伸強(qiáng)度而聞名。

醫(yī)學(xué)界早就意識(shí)到了絲素蛋白的存在。由于它較高的強(qiáng)度和良好的可生物降解性，是醫(yī)用縫合線和組織工程中常見的組成部分。然而沒有人嘗試過將其制成致密的聚合物材料，而Wei知道如果她要制造一種更好的設(shè)備來修復(fù)斷裂的承重骨，那么絲素蛋白是其關(guān)鍵所在。

在與康涅狄格大學(xué)的機(jī)械工程師Dianyun Zhang教授合作的過程中，Wei教授的實(shí)驗(yàn)室開始測(cè)試各種復(fù)合材料中的絲素蛋白，通過尋找不同材料的正確組合和比例，以達(dá)到最佳的強(qiáng)度和柔韌性。新的合成物當(dāng)然需要其強(qiáng)度高。硬度大。但也不需要強(qiáng)度過高硬度過大，否則會(huì)抑制致密骨骼的生長(zhǎng)。與此同時(shí)，復(fù)合材料需要具有柔性，使患者能夠在骨頭愈合的同時(shí)，還能保持其運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)的自然范圍。

經(jīng)過幾十次測(cè)試，Wei和Zhang發(fā)現(xiàn)了他們要找的材料。這種新型復(fù)合材料由長(zhǎng)絲纖維和聚乳酸纖維（一種由玉米淀粉和甘蔗制成的可生物降解熱塑性塑料）組成，浸漬在溶液中，每種溶液均涂有羥基磷灰石制成的細(xì)微生物陶瓷顆粒（在牙齒和骨頭中所發(fā)現(xiàn)的磷酸鈣礦物質(zhì)）。然后將涂覆的纖維分層堆積在小的鋼框架上，并在熱壓縮模具中壓制成致密的復(fù)合棒。

在最近發(fā)表在《生物醫(yī)學(xué)材料力學(xué)行為》上的一篇研究報(bào)告中，Wei報(bào)告說，高性能的生物可降解復(fù)合材料顯示出較高的強(qiáng)度和良好的柔韌性，這是同類生物材料在文獻(xiàn)中所記錄過的最高數(shù)值。另外，它們的性能會(huì)變得更為優(yōu)異。

Wei也是工程學(xué)院副院長(zhǎng)，一直致力于科研和研究生教育，說道：“我們的研究結(jié)果表明：這種新型復(fù)合材料具有非常高的強(qiáng)度和柔性。但我們認(rèn)為，如果我們能讓每個(gè)組件都達(dá)到我們的目標(biāo)，我們將會(huì)得到更好的結(jié)果。”

新的復(fù)合材料也具有韌性。成年人和老年人的大腿骨可能需要幾個(gè)月才能痊愈。Wei的實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的復(fù)合材料完成了它的工作，然后在一年后開始降解。不需要手術(shù)去除。

加入Wei和Zhang的研究團(tuán)隊(duì)的還有Bryant Heimbach，他是Wei實(shí)驗(yàn)室的博士生和材料科學(xué)家，還有來自康涅狄格大學(xué)(UConn)攻讀材料科學(xué)與工程學(xué)位的Beril Tonyali。

該研究小組已經(jīng)開始測(cè)試復(fù)合材料的新衍生物，包括那些將羥基磷灰石的單晶形式用于更大強(qiáng)度的化合物，以及一種涂層混合物的變化，以使其具有更大重量的骨骼力學(xué)性能最大化。