近日，江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院/針織技術(shù)教育部工程研究中心馬丕波教授團隊在人工韌帶仿生針織材料研究方面取得新進展，相關(guān)成果以“Programmable helix-tubular composites with bio-inspired architecture”為論文標題在線發(fā)表在期刊《Materials & Design》。江南大學(xué)針織中心2021級博士研究生楊曈為論文第一作者，江南大學(xué)馬丕波教授及上海大學(xué)宋鋆博士為論文共同通訊作者。論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127525001996
前交叉韌帶（ACL）重建一直是運動醫(yī)學(xué)的重點和難點，其對維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性及功能性具有至關(guān)重要的作用。天然ACL之所以能夠承受復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，得益于其精妙的層次結(jié)構(gòu)。其中，"卷曲"的膠原纖維在受力時展現(xiàn)出獨特的非線性力學(xué)行為，既能提供初始的彈性，又能在高強度下保持穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有的人工韌帶材料難以復(fù)刻這一特性，導(dǎo)致植入后容易出現(xiàn)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性不足、力學(xué)性能不匹配等問題，甚至可能引發(fā)退行性關(guān)節(jié)炎等并發(fā)癥。
針對這一挑戰(zhàn)，本研究利用針織全成形技術(shù)，成功研制出一種具有仿生結(jié)構(gòu)特征的新型復(fù)合材料（HTC/AHTC）。這一突破性設(shè)計巧妙地將剛性螺旋構(gòu)象與彈性可拉伸構(gòu)象相結(jié)合，通過精準調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)與次級構(gòu)象的耦合狀態(tài)，實現(xiàn)了對材料力學(xué)性能的"編程"。實驗結(jié)果表明，該材料不僅完美復(fù)刻了天然韌帶的非線性力學(xué)行為，更展現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。這一進展不僅解決了人工韌帶力學(xué)性能不匹配的核心難題，更為運動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了全新的解決方案。
圖1 受天然韌帶啟發(fā)的設(shè)計靈感
圖2：（a）HTC的制備流程，（b）HTC結(jié)構(gòu)及AHTC結(jié)構(gòu)組裝示意圖
圖3：與天然韌帶拉伸力學(xué)行為的對比分析
圖4 AHTC在力學(xué)性能與抗疲勞性方面的突出表現(xiàn)