摘要

工程化膠原微纖維束作爲自體移植替代品的合成肌腱有着良好的前景。本研究的目的是開發一種高速且連續的膠原微纖維紡絲技術，該技術涉及拉伸膠原流。我們的研究揭示了中和膠原溶液的“臨界纖維生成濃度 (CFC)”，該濃度定義爲中和膠原分子在冷卻（≤10 °C）條件下保持穩定的膠原濃度上限。在膠原濃度略低於CFC的情況下，中和膠原溶液在從噴嘴擠入乙醇浴時會形成由縱向排列纖維組成的繩狀膠原凝膠。通過使用不同尺寸的噴嘴，可以從繩狀凝膠中紡出直徑可控的幹膠原微纖維，直徑範圍爲122 ± 2到31.2 ± 1.7 μm。通過拉伸膠原流改進紡絲工藝，進一步減小了纖維直徑並提高了線速度。我們通過182 μm直徑的噴嘴擠出膠原溶液，同時在凝膠化和纖維形成過程中在乙醇浴中對其進行拉伸。這一過程類似於熔融熱塑性樹脂的拉伸，因爲它在熔融紡絲過程中固化。拉伸的膠原微纖維的機械性能與通過微流體溼紡得到的文獻中最高值相當，因爲它們表面和內部均表現出縱向排列的纖維狀結構。先前的溼紡方法無法生成在整個樣本中一緻呈現肌腱狀纖維排列的膠原微纖維。雖然拉伸微纖維束的切線模量（137 ± 7 MPa）和斷裂應力（13.8 ± 1.9 MPa）低於人體前交叉韌帶，但它們在同一個數量級。我們開發了一種紡絲技術，可以生産具有肌腱狀排列的窄膠原微纖維，這些微纖維可以作爲膠原基合成肌腱的人工纖維單元。

作爲膠原微纖維的紡絲技術，我們將我們多年研究的“溼法紡絲”*2 融入到類似於樹脂成型的過程中，在材料硬化的過程中進行拉伸和延展（圖1）。傳統的紡絲技術在固化過程中嘗試拉伸膠原時會導緻其斷裂，而通過將我們公司開發的可拉伸膠原水溶液（①）通過狹窄的通道（②）擠出到乙醇浴中，我們幹燥了由微纖維（③）形成的線狀膠原凝膠，接下來以高於擠出速度的速度捲起它（④），從而在乙醇浴中實現了拉伸。此方法可以生産出光亮的幹膠原微纖維（圖2）。

 

注：一種通過噴嘴將紡絲溶液送入凝固液並捲成纖維的紡絲方法，常用於再生纖維和一些合成纖維的紡絲方法。

 

 

 該技術的效果

(1) 提高旋轉速度

傳統紡絲技術的紡絲速度僅限於每小時幾十米，並且還需要去除凝固液中的化學物質，這不適合連續的工業化生產。另一方面，在本技術中，通過增加拉伸比3來提高紡絲速度，當實際拉伸比4增加到4.4倍時，紡絲速度可達每小時200米。

 

*3：纖維被拉伸的程度。拉伸長度爲1到2的纖維定義爲拉伸比爲2。
*4：根據橫截面積的減少量與未拉伸狀態相比計算的實際拉伸比。

 

(2) 膠原微纖維的精製

膠原微纖維在未拉伸時的直徑爲47微米（μm），當實際拉伸比增加到4.4倍時，膠原微纖維的直徑減小至22微米，使其與體內的膠原纖維一樣細（直徑爲10到20微米）（圖3）。

 

 

排列整齊的膠原分子通過拉伸直接原纖維化（納米原纖維化），使膠原纖維從表面到內部以一個方向排列（圖4）。這種排列是生物體內纖維特有的納米結構，是傳統溼紡中不會發生的現象。已知附着在排列整齊的纖維上的細胞開始表現出肌腱細胞的特徵（分化）。

 

 

 

膠原蛋白MF在幹燥狀態下的彈性模量隨拉伸倍數的增加而增大，在實際拉伸倍數爲3.3倍時，其彈性模量可達4.3GPa（千兆帕斯卡）。利用該技術生産的膠原蛋白MF不僅在幹燥狀態下非常堅硬耐用，而且在類似生物體的潮溼環境中也非常耐用。經適當的化學處理後，測試的人工肌腱由數百個膠原蛋白MF束組成，其彈性模量和斷裂強度約爲人類前交叉韌帶（ACL）的三分之一至二分之一（圖5），強度足以用於臨床。