研究人員發明了一種由絲纖維製成的可生物降解的複合材料, 它可以用來修複斷裂的承重骨, 並且不會產生像其他材料那樣產生併發症.
康乃狄克大學研製的一種新型骨修複復合材料的三維效果圖. 該複合材料由絲纖維和聚乳酸纖維製成, 在保持柔韌性的同時, 還塗上了優良的生物陶瓷顆粒. 這種生物可降解的複合材料可以幫助癒合骨骼, 而不會產生像金屬部件那樣所造成的併發症.
修複主要的負重骨骼如腿部骨骼, 可能會是一個漫長且艱難的過程.
為了便於修複, 醫生有時會安裝一塊金屬板以便在骨骼癒合時支撐骨骼. 但這可能有問題. 一些金屬將離子注入周圍組織, 這將引起炎症和刺激. 另外, 金屬也很堅硬. 如果一個金屬板在腿部承受了過多負荷, 新的骨骼可能會變得更脆弱, 更易發生骨折.
為了尋找解決這個問題的方法, 材料科學家, 生物醫學工程師Mei Wei教授求助於蜘蛛和飛蛾以求尋找靈感. Wei尤其關注絲素蛋白—這是一種在蜘蛛和飛蛾的絲纖維中所發現的蛋白質, 以其良好的韌性和拉伸強度而聞名.
醫學界早就意識到了絲素蛋白的存在. 由於它較高的強度和良好的可生物降解性, 是醫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製成緻密的聚合物材料, 而Wei知道如果她要製造一種更好的設備來修複斷裂的承重骨, 那麼絲素蛋白是其關鍵所在.
在與康乃狄克大學的機械工程師Dianyun Zhang教授合作的過程中, Wei教授的實驗室開始測試各種複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, 以達到最佳的強度和柔韌性. 新的合成物當然需要其強度高. 硬度大. 但也不需要強度過高硬度過大, 否則會抑制緻密骨骼的生長. 與此同時, 複合材料需要具有柔性, 使患者能夠在骨頭癒合的同時, 還能保持其運動和移動的自然範圍.
經過幾十次測試, Wei和Zhang發現了他們要找的材料. 這種新型複合材料由長絲纖維和聚乳酸纖維(一種由玉米澱粉和甘蔗製成的可生物降解熱塑性塑料)組成, 浸漬在溶液中, 每種溶液均塗有羥基磷灰石製成的細微生物陶瓷顆粒(在牙齒和骨頭中所發現的磷酸鈣礦物質). 然後將塗覆的纖維分層堆積在小的鋼框架上, 並在熱壓縮模具中壓製成緻密的複合棒.
在最近發表在《生物醫學材料力學行為》上的一篇研究報告中, Wei報告說, 高性能的生物可降解複合材料顯示出較高的強度和良好的柔韌性, 這是同類生物材料在文獻中所記錄過的最高數值. 另外, 它們的性能會變得更為優異.
Wei也是工程學院副院長, 一直致力於科研和研究生教育, 說道: '我們的研究結果表明: 這種新型複合材料具有非常高的強度和柔性. 但我們認為, 如果我們能讓每個組件都達到我們的目標, 我們將會得到更好的結果. '
新的複合材料也具有韌性. 成年人和老年人的大腿骨可能需要幾個月才能痊癒. Wei的實驗室所開發的複合材料完成了它的工作, 然後在一年後開始降解. 不需要手術去除.
加入Wei和Zhang的研究團隊的還有Bryant Heimbach, 他是Wei實驗室的博士生和材料科學家, 還有來自康乃狄克大學(UConn)攻讀材料科學與工程學位的Beril Tonyali.
該研究小組已經開始測試複合材料的新衍生物, 包括那些將羥基磷灰石的單晶形式用於更大強度的化合物, 以及一種塗層混合物的變化, 以使其具有更大重量的骨骼力學性能最大化.