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(tuán)隊(duì)在人工韌帶仿生針織材料研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Programmable helix-tubular composites with bio-inspired architecture”為論文標(biāo)題在線發(fā)表在期刊《Materials & Design》。江南大學(xué)針織中心2021級(jí)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(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其對(duì)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(shí)展現(xiàn)出獨(dú)特的非線性力學(xué)行為，既能提供初始的彈性，又能在高強(qiáng)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(duì)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(jì)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(zhǔn)調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)與次級(jí)構(gòu)象的耦合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料力學(xué)性能的"編程"。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(duì)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)