北海道大學等開發出了一種能夠高速製造結構與構成肌腱和韌帶的膠原纖維相似的細絲狀膠原蛋白微纖維的纖維紡絲技術。當將這種絲狀膠原蛋白集束在一起後，其硬度和強度可達到健康人韌帶的二分之一到三分之一左右，強度足以滿足臨牀應用的需求。據悉，這種材料有望被用作人工肌腱，尤其適用於運動員等常見的前十字韌帶傷害冶癒。這種冶癒在過去通常需要自體移植身體其他部位的肌腱來重建。
圖1 利用新開發的技術製成的細絲狀膠原蛋白（左）和光學顯微鏡下的等比增大影像（供圖：北海道大學）
連接肌肉和骨骼的肌腱以及連接骨骼和骨骼的韌帶都是由膠原蛋白構成的。細絲狀膠原蛋白與纖維同方向排列的人體肌腱相似，如果其產量能夠提高，那麼它就有可能用作人工肌腱。然而，以往的技術一小時内只能生產數十米左右的細絲狀膠原蛋白，無法實施材料的實際應用。
生產銷售明膠和膠原蛋白多肽的新田明膠株式會社（總部位於大阪府八尾市）的柚木俊二主席研究員（醫工學專業），在2022年4月至2024年3月擔任北海道大學產學地區合作推進機構特任教授期間，推進開發了一種高速生產細絲狀膠原蛋白的纖維紡絲技術。
首先，柚木教授以多年來研究的、經由噴頭將纖維紡絲用的膠原蛋白水溶液透過凝固液和乙醇溶液後卷繞成纖維的「濕法纖維紡絲」技術爲基礎，改良推出了一種水溶液無需透過凝固液也能夠在乙醇溶液中凝固的工藝。這種工藝縮短了纖維紡絲的流程，同時省去了去除凝固液中藥劑的時間。
以往的纖維紡絲技術在乙醇溶液中拉伸膠原蛋白的凝固成絲程序中會發生斷裂問題。爲此，柚木教授自主開發了一種成分經過精心設計，便於纖維拉伸的膠原蛋白水溶液，並在向乙醇溶液中擠壓絲狀膠原蛋白凝膠以便在乾燥後形成微纖維的程序中，透過使捲取速度高於擠壓速度實施了纖維的拉伸。拉伸的工序使材料產生了膠原纖維向同方向排列的内部構造。
圖2 絲狀膠原蛋白的製造工序（左）和絲狀膠原蛋白的電子顯微鏡影像。觀察縱截面可以看到膠原纖維同方向排列的内部結構（供圖：北海道大學）
柚木教授將直徑47微米（1微米爲1/1000毫米）的膠原蛋白水溶液擠壓至乙醇浴中，並以4.4倍快於擠壓速度的速度進行卷繞從而拉伸纖維。該技術使纖維紡絲速度提高至每小時200米，並生產出了接近生物活體內10～20微米直徑膠原纖維的22微米直徑絲狀膠原蛋白。該結果表明，連續生產細絲狀膠原蛋白已經成爲可能。但需要注意的是，與實際的韌帶和肌腱的膠原纖維截面爲正圓形不同，使用該技術得到的絲狀膠原蛋白截面呈橢圓形。柚木教授認爲，這是拉伸程序中受到滾筒壓力的影響導致的。
圖3 絲狀膠原蛋白的横向截面。形狀接近橢圓形而非正圓形（供圖：北海道大學）
爲了評估橢圓形截面的細絲狀膠原蛋白能否用於人工肌腱，柚木教授透過彈性模數和破斷強度兩個指標檢驗了其硬度和韌性。他使用數百根膠原蛋白集束製作了人工肌腱，並進行拉伸測試。結果顯示，與人體的前交叉韌帶相比，人工肌腱的彈性模數約爲人前交叉韌帶的二分之一，破斷強度約爲三分之一。需要注意的是，用於比較的前交叉韌帶來自健康人，而移植自體肌腱時的彈性模數和破斷強度通常較弱，因此可以認爲人工肌腱的強度足以滿足臨牀應用要求。此外，透過增加膠原蛋白集束數量使其更粗壯，則有望進一步提高人工肌腱的強度。
圖4 絲狀膠原蛋白集束製成的人工肌腱與人的前交叉韌帶（人ACL）的彈性模數和破斷強度對比。研究顯示，人工肌腱的彈性模數約爲人ACL的二分之一，破斷強度約爲人ACL的三分之一。（供圖：北海道大學）
未來，柚木教授將繼續操作推進將細絲狀膠原纖維的截面從橢圓形改爲正圓形，最適化膠原蛋白集束方法等，能夠使人工肌腱更接近實際肌腱和韌帶結構的技術開發。他將在此基礎上以技術的實際應用爲目標，最短在5、6年内開始進行人工肌腱的人體臨牀試驗，並在10年後進行獲得日本藥事批准所需的特殊臨牀試驗。
本次研究由北海道大學和新田膠原蛋白株式會社合作進行，相關研究成果已於2024年5月21日公開發表在生物材料領域的專業期刊《Biomedical Materials》的電子版上。北海道大學於7月4日發佈了新聞通稿。
原文：JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Biomedical Materials
論文：High-speed spinning of collagen microfibers comprising aligned fibrils for creating artificial tendons
URL：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-605X/ad49f6
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