科学家将蜘蛛丝用于新型可生物降解的骨固定复合材料

UConn材料科学团队开发了一种创新的复合材料，该复合材料可根据蜘蛛纺丝纤维中发现的一种蛋白质来治疗断裂的承重骨骼。（Getty Images）

UConn研究人员创建了一种由蚕丝纤维制成的可生物降解的复合材料，可用于修复断裂的承重骨骼，而不会出现其他材料有时会带来的复杂性。

修复主要的承重骨骼（例如腿部的骨骼）可能是一个漫长而令人不舒服的过程。

为了便于修复，医生可以安装一块金属板来支撑骨骼，使其融合并愈合。但这可能是有问题的。一些金属将离子浸出到周围组织中，从而引起炎症和刺激。金属也非常坚硬。如果金属板在腿部承受的负荷过大，则新骨骼可能会变弱，长回去并容易骨折。

为了解决这个问题，UConn教授，材料科学家兼生物医学工程师Mei Wei求助于蜘蛛和飞蛾。尤其是，Wei专注于丝素蛋白，丝蛋白是一种由蜘蛛和飞蛾纺制的丝纤维中的蛋白质，以其韧性和抗张强度着称。

用于制造高性能可生物降解复合材料以帮助骨骼愈合的加工技术概述。（Mei Wei / UConn Image）

医学界已经意识到丝素蛋白已有一段时间了。由于其强度和可生物降解性，它是医用缝合线和组织工程中的常见组件。然而，从未有人尝试用这种材料制造致密的聚合物复合材料，而魏伟知道，如果她要制造出一种更好的装置来修复断裂的承重骨骼，那就需要她。

Wei的实验室与UConn副教授，机械工程师Zhang Dianyun合作，开始测试各种复合形式的丝素蛋白，寻找不同材料的正确组合和比例，以实现最佳的强度和柔韧性。当然，新的复合材料必须坚固而刚硬，但并不需要那么多，以至于它会抑制致密的骨骼生长。同时，复合材料需要具有柔韧性，以使患者在骨骼愈合的同时保留其自然的运动和活动范围。

经过数十次测试，Wei和Zhang找到了他们想要的材料。新的复合材料由长丝纤维和聚乳酸纤维（一种由玉米淀粉和甘蔗制成的可生物降解的热塑性塑料）组成，并浸入一种溶液中，每种溶液均涂有由羟基磷灰石（牙齿中发现的磷酸钙矿物）制成的细生物陶瓷颗粒。和骨头）。然后将涂覆的纤维分层包装在一个小的钢框架上，并在热压模具中压制成致密的复合材料条。

在最近发表在《生物医学材料的机械行为杂志》上的一项研究中，Wei报告说，高性能的可生物降解复合材料显示出强度和柔韧性，这是文献中同类生物可吸收材料的最高记录。

他们甚至可以变得更好。

由UConn材料科学家Mei Wei领导的研究小组开发的新型骨固定复合材料的3D渲染。（图片由Bryant Heimbach / UConn提供）

“我们在强度和灵活性方面的成绩确实很高，但是我们认为，如果我们能够使每个组件都能完成我们希望他们做的事情，那么我们甚至可以取得更高的成绩。”魏还说，他还担任工程学院的教授。研究和研究生教育副院长。

新的复合材料也具有弹性。成人和老年人的大腿骨可能需要几个月才能he愈。在魏氏实验室开发的复合材料可以正常工作，然后在一年后开始降解。无需手术即可移除。

除魏和张之外，还有布莱恩特·海姆巴赫（Bryant Heimbach）博士。魏氏实验室的候选人和材料科学家；还有Beril Tonyali，他是获得材料科学与工程学位的UConn本科生。

该团队已经开始测试复合材料的新衍生物，包括那些掺入单晶形式的羟基磷灰石以提高强度的涂料，以及改变涂料混合物的种类以最大程度提高其对承重的骨骼的机械性能的衍生物。

目前的研究是由美国国家科学基金会（National Science Foundation）拨款1414274和美国教育部GAANN奖学金（P200A160323-17）资助的。

出版物：Bryant Heimbach等人，“用于承重骨固定装置的高性能可吸收复合材料”，《生物医学材料力学行为》，2018年； doi：10.1016 / j.jmbbm.2018.01.031