南京工业大学/新加坡国立大学AFM:工程化蜘蛛丝活体电子缝合线
外科缝合在临床伤口管理中不可或缺，恢复组织连续性和预防术后感染对患者康复至关重要。虽然生物可吸收缝合线已成为常规选择，但它们仅作为被动机械支撑，无法在伤口界面进行生物干预。因此，即使在采用先进生物可吸收缝合材料的情况下，炎症持续、细菌侵袭和组织再生延迟等并发症仍时有发生。已有研究尝试通过表面负载药物或生长因子实现缓释、或通过掺入导电组分实现伤口监测来增强缝合线功能，但载药缝合线常因生物活性快速丧失和潜在全身副作用而效果不可预测，而传感纤维仅限于监测而不参与愈合。因此，实现一种既能机械闭合伤口，又能同时刺激生物修复、引导局部药物转运并提供实时反馈的集成系统仍然具有挑战性。针对上述挑战，南京工业大学的高兵兵教授和新加坡国立大学的Lim Chwee Teck教授团队报道了一种可生物吸收的活体电子缝合线，将机械性能优异的蜘蛛丝蛋白与液态金属集成于单根纤维中，实现了近红外触发收缩驱动、摩擦电能量收集和微流控引导药物递送。通过合理分子工程设计24重复序列的Amy-spidroin-24Rep重组蛋白，结合液态金属复合（25 wt.%最优比例）并利用湿法纺丝制备纤维。后处理过程中的机械训练使拉伸强度超过115 MPa，表面微柱压印改善了界面导电性并实现定向毛细管传输。该纤维将组织运动转化为局部电场用于实时伤口传感，表面微结构实现可编程微流控药物递送。由于蜘蛛丝蛋白固有的生物可降解性和生物相容性，缝合线在组织再生过程中逐渐吸收。在体内小鼠研究中，与商业缝合线相比，疤痕面积减少了58.3%。相关内容以Engineered Spider Silk Living e-Suture发表在Advanced Functional Materials！图1. 工程化蜘蛛丝活体电子缝合线实现多功能智能伤口管理： (a) 仿生SP-LM缝合线通过重组蜘蛛丝蛋白与液态金属复合，结合机械训练（循环拉伸）和压印纹理化，赋予纤维显著增强的机械性能（拉伸强度>115 MPa）。(b) 植入后SP-LM缝合线实现动态伤口管理：初期释放伤口过度张力，NIR激活触发可编程纤维收缩，逐步降低伤口张力，最终实现近“无张力”状态，加速伤口愈合。(c) SP-LM缝合线作为应变传感器将关节运动转化为电信号，用于远程实时运动监测（如智能手机读取）。(d) 压印微柱表面促进沿纤维的定向微流控药物递送，相比传统缝合线提高治疗效果和伤口闭合。图2. 重组蜘蛛丝蛋白的合理设计与表征： (A) AlphaFold3预测的Amy-spidroin-24Rep三级结构及ESPript二级结构映射，显示高密度淀粉样蛋白样基序分布。(B) 氨基酸组成分析显示配对酸性和碱性残基可形成密集盐桥网络；IUPred2A预测N端和C端结构域介导二聚化和层级组装，柔性区域适应延伸应变。(C) 基于3Rep模块的迭代扩增策略（Nhe I/Spe I定向连接）。(D) SDS-PAGE验证6-48重复重组蜘蛛丝蛋白表达，24Rep在分子量和表达效率间取得最佳平衡。(E) 两步变温纯化策略获得高纯度冻干粉。(F) SP-LM纺丝液制备及不同LM比例的蛋白溶液照片。(G-H) Raman和FTIR光谱及酰胺I去卷积显示24Rep相比12Repβ-折叠含量显著升高；25% LM时β-折叠完整性保留最佳。图3. SP-LM复合纤维的制备与力学增强： (A) 湿法纺丝及多丝加捻获得层级绳索结构（n=1-16）；25 wt.% LM纤维表面致密无缺陷，LM液滴均匀分布。(B) LM及其与蜘蛛丝蛋白的界面相互作用示意图。(C) 干态和湿态下不同股数纤维的拉伸应力-应变曲线；16股纤维干态拉伸强度>115 MPa。(D) 循环拉伸训练装置及纤维形态演变。(E) 训练后纤维干态和湿态下循环应力-应变曲线及拉伸强度统计。图4. SP-LM纤维的NIR触发收缩与微流控药物递送： (A) 不同LM含量纤维的NIR触发温度升高曲线及收缩行为，25 wt.% LM纤维在0.5 W/cm²下10秒内弯曲超90°。(B) 不同功率密度和时间下的收缩角度及力输出。(C) 可逆收缩循环稳定性。(D) 不同表面拓扑结构纤维的微流控传输：压印后螺旋结构实现最快液体传播，效率较原始纤维提高约2倍。(E) 药物释放曲线显示VEGF沿纤维持续释放。图5. SP-LM纤维的高输出摩擦电发电与多模态运动监测： (A) 原始、压平、压印三种结构纤维的摩擦电电压信号，压印纤维电压最高（约13.6 V，较原始纤维提高约2.5倍）。(B) 摩擦发电机制示意图。(C) 安装在手指、手腕和肘关节上的纤维运动监测信号。(D) 不同预应变下相对电阻变化及手指、手腕、肘部实时运动监测；压印纤维灵敏度最高，实现清晰区分不同关节运动。图6. 多功能电子缝合线的体内伤口愈合与监测评价： (A) 小鼠模型及治疗方案示意图。(B) 14天伤口愈合代表性照片：SP-LM+VEGF+NIR组第10天几乎完全闭合，疤痕面积较商业缝合线减少58.3%；H&E和Masson染色显示该组上皮化最完整、胶原沉积最密集有序。(C) 实时运动监测示意图及呼吸诱导皮肤拉伸产生的稳定电阻变化信号，实现术后连续力学监测。本研究开发的工程化蜘蛛丝电子缝合线将机械伤口闭合、光热驱动、纤维拓扑介导药物递送和自供电传感集于单根手术纤维中。通过将合理分子工程化的重组蜘蛛丝蛋白与液态金属耦合，缝合线兼具高机械鲁棒性和高效NIR响应驱动能力，可实时调节伤口张力以加速组织愈合。表面压印微柱阵列诱导定向毛细管流动，增强摩擦电和压阻输出，支持持续药物释放和局部生物力学活动连续监测。借助蜘蛛丝蛋白固有的生物可降解性和生物相容性，缝合线在组织再生过程中逐渐吸收（约10天后开始吸收），无需二次拆线。体内研究表明，相比商业缝合线疤痕面积减少58.3%，伴随更均匀的胶原排列、减少的炎症浸润和增强的血管生成。该缝合线兼容标准手术技术，无需专门培训或仪器，为智能伤口管理提供了从被动固定材料向主动、患者自适应伤口管理策略转变的新范式。
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