自体移植和异体移植被认为是十字韧带手术重建的最佳选择，因为这类移植物具有内在的生物活性，可以促进细胞增殖和新组织生长。然而，这种活体移植物十分稀缺，并可能存在潜在的疾病传播和免疫反应的风险。因此需要通过生物相容性聚合物构建起人工移植物以满足临床需求。 现阶段聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚己内酯和蚕丝纤维，也已被设计并用于临床实践。但是聚合物基的人工移植韧带并不是完美无缺。由于聚合物在体内通常会降解以及性能衰减，这就导致聚合物移植物的寿命很短。更重要的问题是，合成聚合物是惰性的，在诱导骨生成以促进移植物与骨的愈合方面效果不佳，导致骨隧道扩大和移植物失败。通过向惰性聚合物移植物中添加细胞转化生长因子，使其生物功能化被广泛用于增强成骨作用。然而，骨结合不充分仍然是一种常见的问题。并且添加这些细胞转化生长因子步骤复杂且昂贵，并可能引起意外的并发症，如异位骨形成和炎症。
从韧带的结构来看，韧带是由纳米级的胶原蛋白纤维组织成微米级的胶原蛋白纤维和筋膜下束的层次结构。胶原蛋白纤维和纤维的纵向排列加强了韧带，使其能够传递来自关节运动的高应力负荷。胶原纤维之间有纳米级的通道，胶原纤维和纤维束之间有微米级的通道，形成了有利于细胞附着和增殖的环境。因此破解人工移植韧带现阶段的问题可以从人工移植韧带的结构构建上入手。近期，复旦大学彭慧胜团队设计了一种类似于生物韧带结构的人工韧带。这种人工韧带具有所需的机械性能，并能与宿主骨紧密结合，从而恢复被移植动物的运动。该韧带由排列整齐碳纳米管（CNTs）组装成具有各向异性结构的多级结构螺旋纤维（HHFs），具有纳米和微米级的通道，实现与动物骨头的紧密结合。在植入13周后，在植入的兔子和绵羊中人工韧带具有较高的拉出力，可以支持这些动物正常地跑和跳。该工作以题为“Hierarchical helical carbon nanotube fibre as a bone-integrating anterior cruciate ligament replacement”的文章发表于 Nature Nanotechnology 上。
人工韧带的构建及生物相容性
本文中所采用的CNTs具有多壁结构，直径为10nm，主要通过化学气相沉积和浮动化学气相沉积方法制备，并通过连续扭转排列的CNT片组装成微米级的螺旋状初级CNT纤维，该结构类似于胶原蛋白纤维。当这些多层初级纤维被扭在一起时，我们得到了亚毫米级的二级CNT纤维，相当于本地韧带中的亚纤维束。通过电镜观察，多级结构螺旋纤维在排列的CNT之间形成了从几十到几百纳米的结果纤维的通道。同样地，在分层组装的螺旋线的排列的主纤维和次纤维之间也发现了微米级的通道。用于构建，分层螺旋纤维的CNT纤维的机械性能优于临床聚酯纤维和自体韧带，而且结构稳定，因此这种人工韧带可承受100万次的连续弯曲和复杂变形。分层螺旋纤维表现出与原生韧带相似的模量（0.472±0.12 GPa）和刚度（79.43±7.46 N mm-1）。
为了评估人工韧带与生物骨直接的整合连接性，将制备的人工韧带植入兔子腿骨之中。断层扫描（μCT）成像显示。人工韧带植入后，股骨和胫骨隧道都明显变窄。胫骨隧道在4周后缩小了29.9%，13周后缩小了41.9%。在第13周，胫骨隧道的平均直径（1.16毫米）小于HHFs的直径（1.5毫米）；新形成的骨已经完全占据了隧道空间，有些还长到了螺旋状CNT纤维。再生骨具有与原生骨相同的管状微结构，在螺旋CNT纤维和新骨之间没有看到明显的界限，表明骨生物组织和螺旋CNT纤维发生了紧密的骨结合。
人工韧带在大型生物体内临床应用
为评估这种人工韧带在大型动物模型中的体内整合和机械性能，进一步将人工韧带植入绵羊。与兔子一致，人工韧带植入13周后，胫骨隧道缩小了20%以上，而商用PET纤维在第13周出现明显的隧道扩大（从最初的7.5毫米到9毫米）。进行进一步的组织学检查，显示在第13周时人工韧带和原生骨之间的界面区域有致密的胶原组织，新形成的骨组织在人工韧带内的通道中再生。用人工韧带移植物治疗的羊在13周后可以站立并以正常步态行走而不跛行。通过对人工韧带植入时间较长的9个月甚至21个月的羊进行评估，进一步验证了骨隧道缺损的持续修复，观察到这些动物能够正常跑跳。这些结果表明，即使在大型动物中也可以实现强有力的支撑作用。
小结：本文报道了一种通过构建类似韧带结构的人工韧带，解决了现阶段人工韧带难以和生物骨之间难结合的问题。通过分层排列的CNT纤维，实现与原生骨结合良好，并提供足够的强度来支撑生物体的运动。这项工作展示了分层螺旋式人工韧带的临床转化的巨大的前景，为解决修复韧带-骨关节以承受高动态应力负荷这一紧迫的临床问题开辟了一条新途径。这种将材料扭曲成具有多个长度尺度的分层组合体的策略可以推广到其他具有生物相容性和机械强度的一维纳米材料或微材料，以获得类似的高性能人工组织。
来源：高分子科学前沿