仿生核壳结构丝蛋白水凝胶缝合线用于疼痛管理、抗感染及伤口愈合

《Advanced Healthcare Materials》：Mimetic Core-Sheath Silk Sutures with Superior-Strength for Pain Management, Anti-Infection and Wound Healing

　　

缝合线在组织对合与伤口愈合中起着至关重要的作用。除了对其强度极限的要求外，缝合线往往无法有效解决感染和疼痛等并发症。受天然蚕丝“核壳”结构的启发，研究人员开发的缝合线具有湿法纺丝核心，该核心由拉伸后的富锌丝素蛋白（RSF-Zn2+）纤维组成，其强度超过800 MPa，模量约为30 GPa（接近钢材水平），形成了坚固的结构（TZSn）。外壳是经过光交联的甲基丙烯酸化丝胶（SerMA）与普鲁卡因（PSTZS12），用于缓解疼痛。PSTZS12（直径215微米）可承受的最大拉力为13.78 N，是商用5-0 Mersilk缝合线（直径235微米）的两倍。这种丝仿生水凝胶缝合线PSTZS12具有卓越的强度，同时兼具疼痛控制（普鲁卡因）、抗菌（Zn2+）和促进伤口愈合（丝蛋白）的能力。大鼠疼痛模型的PET/CT研究表明，该缝合线降低了扣带回皮层和体感皮层等14个疼痛相关脑区的18F-FDG代谢水平，直接影响了疼痛管理。此外，该缝合线还能促进成纤维细胞迁移、血管生成并加速伤口愈合。

研究背景与意义

术后疼痛、细菌感染及愈合延迟是临床外科面临的重大挑战。传统丝缝合线虽应用广泛，但存在摩擦系数高、强度不足、易引发炎症反应及细菌感染等问题；而合成聚合物缝合线则常面临打结强度低和操作手感差的困境。此外，全身性使用镇痛药和抗生素易产生耐药性和全身不良反应。因此，开发一种集高强度、局部镇痛、长效抗菌和促愈合于一体的新型多功能缝合线具有重要的临床需求和科学价值。该研究发表于《Advanced Healthcare Materials》，提出了一种仿生核壳结构的丝蛋白水凝胶缝合线，为解决上述难题提供了创新方案。

主要关键技术方法

研究人员首先通过湿法纺丝技术制备了再生丝素蛋白（RSF）纤维，并利用Zn²⁺交联与机械拉伸增强其力学性能。随后，将多股纤维加捻成核，涂覆负载普鲁卡因的甲基丙烯酸化丝胶（SerMA）并进行紫外光交联，形成仿生壳层。通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和广角X射线散射（WAXS）等手段表征材料微观结构与力学强度。体外实验评估了细胞毒性、药物释放曲线及抗菌性能。体内实验方面，建立了大鼠股四头肌切口模型评估镇痛效果（结合行为学测试与¹⁸F-FDG PET/CT脑成像），并通过大鼠背部皮肤切口模型评估生物相容性与伤口愈合进程（结合组织学染色）。

研究结果

2.1 纤维的常规表征

研究人员优化了纺丝液浓度与Zn²⁺交联浓度，发现15%丝素蛋白浓度与2.5% Zn²⁺浓度下纤维力学性能最佳。通过6倍拉伸，纤维内部结晶取向度显著提升，最大应力达到804 MPa，弹性模量高达约37.3 GPa。FTIR与XRD分析证实，拉伸与Zn²⁺交联促进了β-折叠结构的形成，这是纤维获得超高强度的结构基础。

2.2 缝合线制备表征

研究人员将12股优化后的纤维加捻制成缝合线核心，并包覆SerMA/普鲁卡因壳层。最优捻度为8捻/厘米。该缝合线直径约215微米，最大断裂力达13.78 N，约为同规格商用Mersilk缝合线的两倍。SEM显示SerMA涂层有效填充了纤维间隙，使受力更均匀。在高湿度环境下，其强度仍显著优于对照组。

2.3 药物释放与体内生物相容性

体外释放实验表明，普鲁卡因初期释放较快（前3天释放约67%），Zn²⁺释放相对平缓（前5天释放约75%），实现了分阶段治疗。细胞实验与大鼠皮下植入实验均证实，该缝合线无细胞毒性，炎症反应轻微，具有良好的生物相容性。

2.4 体外抗菌实验

得益于Zn²⁺的持续释放，缝合线对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）表现出显著的抑制作用。抑菌圈实验与SEM观察显示，实验组能有效抑制细菌黏附与增殖，而对照组表面则布满细菌。

2.5 体内疼痛缓解评估

大鼠股四头肌切口模型的行为学测试显示，使用PSTZS₁₂缝合线的小鼠步行速度更快、站立时间更长，表明疼痛显著减轻。¹⁸F-FDG PET/CT脑成像进一步提供客观证据，显示PSTZS₁₂组大鼠的扣带回皮层、体感皮层等14个疼痛相关脑区的葡萄糖代谢水平显著降低，接近基线水平，证明其在中枢层面有效缓解了疼痛信号。

2.6 大鼠背部皮肤缝合与伤口愈合

在大鼠背部皮肤切口模型中，PSTZS₁₂组在第5天即进入增殖期并闭合伤口，早于对照组的第7天。组织学分析显示，实验组炎症细胞浸润更少，胶原沉积更有序，验证了其在体内的促愈合优势。

2.7 大鼠术后伤口组织学分析

CD31与α-SMA免疫组化染色结果显示，PSTZS₁₂组在第7天和第14天的血管内皮细胞与平滑肌细胞增殖更为活跃，表明Zn²⁺有效促进了血管生成，加速了肉芽组织形成与伤口重塑。

讨论与结论

讨论部分指出，传统的强化策略难以兼顾水凝胶纤维的强度与韧性。本研究通过简单的湿法纺丝与拉伸策略，成功制备出兼具超高强度（804 MPa）与高模量（43 GPa）的再生丝素蛋白纤维，突破了材料瓶颈。通过将Zn²⁺的抗菌促愈合功能与普鲁卡因的局部麻醉功能集成于仿生核壳结构中，该缝合线实现了对术后并发症的全面管理。PET/CT脑成像技术的应用，为缝合线镇痛效果的评价提供了客观的神经生物学证据。研究证实，PSTZS₁₂不仅能降低外周疼痛感受，还能抑制中枢疼痛相关脑区的异常激活。综上所述，这项研究成功开发了一种高强度、多功能的丝蛋白水凝胶缝合线，其在抑制感染、缓解术后急性疼痛以及加速组织修复方面展现出巨大的临床应用潜力。