近日，江南大學紡織科學與工程學院/針織技術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》。江南大學針織中心2021級博士研究生楊曈為論文第一作者，江南大學馬丕波教授及上海大學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)學的重點和難點，其對維持膝關節(jié)的穩(wěn)定性及功能性具有至關重要的作用。天然ACL之所以能夠承受復雜的力學環(huán)境，得益于其精妙的層次結構。其中，"卷曲"的膠原纖維在受力時展現出獨特的非線性力學行為，既能提供初始的彈性，又能在高強度下保持穩(wěn)定性。然而，現有的人工韌帶材料難以復刻這一特性，導致植入后容易出現關節(jié)穩(wěn)定性不足、力學性能不匹配等問題，甚至可能引發(fā)退行性關節(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，成功研制出一種具有仿生結構特征的新型復合材料（HTC/AHTC）。這一突破性設計巧妙地將剛性螺旋構象與彈性可拉伸構象相結合，通過精準調控結構參數與次級構象的耦合狀態(tài)，實現了對材料力學性能的"編程"。實驗結果表明，該材料不僅完美復刻了天然韌帶的非線性力學行為，更展現出優(yōu)異的抗疲勞性能。這一進展不僅解決了人工韌帶力學性能不匹配的核心難題，更為運動醫(yī)學領域提供了全新的解決方案。
圖1 受天然韌帶啟發(fā)的設計靈感
圖2：（a）HTC的制備流程，（b）HTC結構及AHTC結構組裝示意圖
圖3：與天然韌帶拉伸力學行為的對比分析
圖4 AHTC在力學性能與抗疲勞性方面的突出表現