Bio-geïnspireerde spiraalvormige hydrogelvezel die gekwalificeerd is als chirurgische hechtdraad

“De lotuswortels kunnen breken, maar de vezel blijft verbonden” – een oud Chinees gezegde dat de unieke structuur en mechanische eigenschappen van de lotusvezel weerspiegelt. De uitstekende mechanische eigenschappen van lotusvezels kunnen worden toegeschreven aan hun unieke spiraalstructuur, die een aantrekkelijk model vormt voor biomimetisch ontwerp van kunstmatige vezels.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Nano Letters, rapporteerde een team onder leiding van Prof. Yu Shuhong van de University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academy of Sciences (CAS) een bio-geïnspireerde lotus-vezel-mimetische spiraalstructuur bacteriële cellulose (BC) hydrogelvezel met hoge sterkte, hoge taaiheid, uitstekende biocompatibiliteit, goede rekbaarheid en hoge energiedissipatie.

In tegenstelling tot hydrogel op polymeerbasis, is de nieuw ontworpen biomimetische hydrogelvezel (BHF) gebaseerd op de BC-hydrogel met 3D-cellulose-nanovezelnetwerken geproduceerd door bacteriën. De cellulose-nanovezels zorgen voor het omkeerbare netwerk van waterstofbruggen dat resulteert in unieke mechanische eigenschappen.

De onderzoekers pasten een constante tangentiële kracht toe op de voorbehandelde BC-hydrogel langs de dwarsdoorsnederichting. Vervolgens werden de twee zijden van de hydrogel onderworpen aan tegengestelde tangentiële krachten en trad lokale plastische vervorming op.

De waterstofbruggen in het 3D-netwerk van cellulose-nanovezels werden verbroken door de tangentiële kracht, waardoor de hydrogelstrip spiraalvormig werd gedraaid en het netwerk slipt en vervormt. Toen de tangentiële kracht werd verwijderd, vormden de waterstofbruggen zich opnieuw tussen de nanovezels en werd de spiraalstructuur van de vezel gefixeerd.

Profiteer van lotusvezel-mimetische spiraalstructuur, de taaiheid van BHF kan ～ 116,3 MJ · m bereiken^-3, die meer dan negen keer hoger is dan die van niet-spiraalvormige BC-hydrogelvezel. Bovendien, als de BHF eenmaal is uitgerekt, is deze bijna niet veerkrachtig.

BHF combineert uitstekende mechanische eigenschappen met uitstekende biocompatibiliteit afgeleid van BC, en is een veelbelovende hydrogelvezel voor biomedisch materiaal, vooral voor chirurgische hechtdraad, een veelgebruikt structureel biomedisch materiaal voor wondherstel.

Vergeleken met commerciële chirurgische hechtingen met een hogere modulus, heeft de BHF een vergelijkbare modulus en sterkte als zacht weefsel, zoals huid. Door de uitstekende rekbaarheid en energiedissipatie van BHF kan het energie absorberen van de weefselvervorming rond een wond en de wond effectief beschermen tegen scheuren, wat BHF een ideale chirurgische hechtdraad maakt.

Bovendien laat de poreuze structuur van BHF het ook toe om functionele kleine moleculen, zoals antibiotica of ontstekingsremmende stoffen, te adsorberen en deze duurzaam af te geven op wonden. Met een passend ontwerp zou BHF een krachtig platform zijn voor veel medische toepassingen.