跟腱（AT） 破裂严重影响着患者的生活和行动。目前，AT 破裂治疗主要是通过外科手术和物理康复，但修复的 AT 组织通常表现出机械刚度降低等副作用。这导致在愈合阶段必须定期对修复 AT 施加受控和个体优化的机械负荷。 因此，准确评估AT 在整个愈合过程中机械性能的变化对患者开展定制化治疗至关重要。最近开发了各种植入式机械传感器，用于测量 AT 修复过程中的应变和压力。但现有的平面结构植入式传感器在进入临床实践之前仍面临一些挑战。为了解决平面植入式传感器的这些实际限制，基于光纤的传感系统受到广泛关注。
在这项研究中，作者报道了一种突破性的无线、无芯片、免疫耐受的体内应变传感缝合线，用于在整个愈合过程中连续监测重建AT的机械刚度变化。这种创新的传感缝合线是将标准的医用缝合线和无线光纤应变传感系统集成在一起。其中，传感系统包括光纤应变传感器和用于无线读数的双层感应线圈，并且传感系统采用生物相容性纤维电极，通过将大量的金纳米颗粒（AuNPs）化学合成到弹性纤维基体中来制造的。AuNPs的纤维电极的缠绕设计和空心芯有助于光纤应变传感器的高灵敏度，可忽略的滞后和超过10,000次拉伸循环的耐久性。为了确保生物相容性和在体内延长的免疫耐受性，在传感缝合线上应用了一层抗生素润滑层。利用该传感系统，作者成功地在猪体内模型中监测了重构AT的应变响应。这有助于术后通过一个完善的分析模型评估愈合期间的机械刚度变化。
图1.基于AUNP基生物相容性纤维电极的无线和免疫耐受体内应变传感缝合。
每周使用沿肌腱缝合的纤维应变传感器测量由特定腿部弯曲运动引起的肌腱拉伸。通过感应天线线圈测量传感系统的谐振频率偏移，无线记录传感器的电容响应。通过分析重建 AT 的机械行为以及完善的分析模型，成功计算了重建后整个愈合期间 AT 机械刚度的变化（图1）。
图2.光纤应变传感器的特性。
光纤应变传感器的表征证明光纤应变传感器具有高灵敏度、感应范围、检测限和整体稳定性。并且，评估了纤维应变传感器（包括基于 AuNPs 的纤维电极）的生物相容性，结果显示使用基于 AuNPs 的纤维电极和纤维应变传感器培养的 NIH3T3 细胞表现出强大的增殖和最少的细胞死亡，证实了这些基于 AuNPs 的材料具有出色的生物相容性（图2）。
图3. 无线无芯片应变传感缝线的特性研究。
为了研究周围环境对无线读出性能的影响，使用放置在两个线圈之间的各种中间材料评估了系统的无线响应，例如人造皮肤、乙醇、水、pH=5的 缓冲溶液和磷酸盐缓冲盐水溶液。材料的光谱没有观察到明显的衰减或峰值偏移，展示了传感系统在实际应用中强大的无线读出能力。此外，传感系统的无线响应保持一致，在不同温度条件下的谐振频率没有观察到任何明显的退化，表明系统的热稳定性很高（图3）。
图4.用于应变感应缝线的免疫耐受润滑剂涂层。
对于在体内环境中长期使用应变感应缝合线，必须阻止血浆蛋白的吸附，从而引发级联异物反应 （FBR）。在传感缝合线上应用了一层抗生素润滑层。为了确认润滑表面的抗生物污染性能，将其在白蛋白悬浮液中孵育。材料表现出增强的抗生物污染能力。使用猪组织进行摩擦测量，以确定润滑表面在手术环境中的性能。在裸缝线和润滑缝合线之间观察到最高摩擦力的显着差异（图4）。
图5.重建AT的体内术后监测。
在猪模型上采用了无线光纤应变传感系统，用于术后监测重建的 AT。愈合期 10 周后，对于相同的腿部运动，重建的 AT 表现出 5.83% 的应变水平，与正常的 AT 拉伤 4.38% 相当，这意味着重建的 AT 恢复。组织学和血液学研究表明，植入的具有免疫耐受能力的应变感应系统在 10 周内不会造成任何与植入相关的组织损伤或诱发炎症。此外，在整个 10 周的愈合期内，在微型猪的着床部位没有观察到明显的肿胀和炎症迹象，表明感应缝合线具有出色的免疫耐受能力（图5）。
作者提出了一种创新的无线、无芯片和免疫耐受体内应变感应缝合系统，该系统专为重建手术后 AT 修复的术后监测而设计。通过将无线光纤应变传感系统与传统医用缝合线集成，成功创建了应变感应缝合线。对于传感系统，通过将大量 AuNPs 掺入 PU 基纤维基体中，开发了一种完全生物相容性的纤维电极。这种基于 AuNPs 的纤维电极不仅表现出 0.48 Ω/cm 的高电气性能，而且还表现出优异的生物相容性。无线光纤应变传感系统围绕连接到电容式光纤应变传感器的感应线圈构建，具有带空心芯的螺旋缠绕双光纤电极配置。光纤应变传感器的电容响应可以通过连接到传感器的双层感应线圈进行无线监控。此外，整个无线应变感应缝合线均涂有抗生物污染润滑剂，以确保其对长期体内应用的免疫耐受性。这种无线体内应变传感系统可用于在整个愈合过程中连续监测重建 AT 中的机械刚度变化。
近期，该研究成果以“Postoperative Long-Term Monitoring of Mechanical Characteristics in Reconstructed Soft Tissues Using Biocompatible, ImmuneTolerant, and Wireless Electronic Sutures”为题发表于学术期刊《ACS Nano》，论文第一作者为Mugeun Lee、Yeontaek Lee和Ji Hye Choi，通讯作者为韩国科学技术研究院Jaehong Lee。
撰稿人：武华君
审稿人：向李
论文全文链接
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00396
抗菌抗污材料前沿
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