組織工程開(kāi)發(fā)仿生多功能肌腱模擬水凝膠

在現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一份新報(bào)告中，孫明澤和中國(guó)香港物理、機(jī)械工程、電氣和電子工程研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了通過(guò)組裝芳綸納米纖維復(fù)合材料開(kāi)發(fā)多功能肌腱模擬水凝膠。

各向異性復(fù)合水凝膠(ACH)包含堅(jiān)硬的納米纖維和柔軟的聚乙烯醇部分，以模擬通常發(fā)生在肌腱中膠原纖維和蛋白聚糖之間的生物相互作用。該團(tuán)隊(duì)受到天然肌腱的生物啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出具有高彈性模量、強(qiáng)度和斷裂韌性的水凝膠。

研究人員用生物活性分子對(duì)這些材料表面進(jìn)行生物功能化，以呈現(xiàn)生物物理線索，從而賦予與細(xì)胞附著行為相似的行為。此外，集成在水凝膠上的軟生物電子元件促進(jìn)了多種生理益處。基于肌腱模擬物的出色功能，該團(tuán)隊(duì)設(shè)想將該材料更廣泛地應(yīng)用于高級(jí)組織工程，以形成用于人機(jī)交互的植入式假肢。

材料工程仿生肌腱

材料科學(xué)家致力于為醫(yī)療設(shè)備和組織工程平臺(tái)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的生物材料，以通過(guò)材料工程模擬天然生物組織結(jié)構(gòu)。然而，天然組織結(jié)構(gòu)具有多種難以合成復(fù)制的特征。肌腱的結(jié)構(gòu)依賴于肌肉骨骼系統(tǒng)的承載能力來(lái)提供生物物理線索，這些線索通過(guò)界面相互作用轉(zhuǎn)化為細(xì)胞行為。在過(guò)去的十年中，研究人員投入了大量的研究工作來(lái)設(shè)計(jì)具有高結(jié)構(gòu)各向異性的肌腱模擬材料。

Sun及其同事為他們的工作開(kāi)發(fā)了一個(gè)先進(jìn)的材料平臺(tái)，以構(gòu)建在生物界面上具有類肌腱行為和多功能性的混合各向異性水凝膠。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，他們?cè)趧傂院腿嵝跃酆衔镏g建立了可重構(gòu)的相互作用，以形成高度定向的框架，模擬對(duì)齊的膠原纖維和軟蛋白聚糖之間的微觀結(jié)構(gòu)相互作用。各向異性生物物理線索的仿生結(jié)果從而調(diào)節(jié)了細(xì)胞行為。

在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造一種先進(jìn)的聚合物材料

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)拉伸和限制由剛性和柔性聚合物成分組成的材料來(lái)開(kāi)發(fā)各向異性復(fù)合水凝膠。由此產(chǎn)生的材料展示了模仿膠原蛋白樣構(gòu)建塊的分支微結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)在兩種聚合物成分之間進(jìn)行了廣泛的氫鍵鍵合，以創(chuàng)建具有高韌性的三維網(wǎng)絡(luò)，其中原纖維網(wǎng)絡(luò)即使在高應(yīng)變下也不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)分解，從而導(dǎo)致它們一致排列。然后，他們觀察到各向同性水凝膠特有的纖維狀網(wǎng)絡(luò)，類似于天然肌腱中的分層結(jié)構(gòu)——這種努力對(duì)于現(xiàn)有的合成水凝膠來(lái)說(shuō)并不可行。

高級(jí)聚合物的生物功能化

接下來(lái)，科學(xué)家們研究了新聚合物的結(jié)構(gòu)特征及其通過(guò)界面相互作用對(duì)細(xì)胞行為的影響。他們采用化學(xué)功能化來(lái)呈現(xiàn)細(xì)胞粘附基序，例如精氨酰甘氨酰天冬氨酸基序，以與細(xì)胞膜上的整合素結(jié)合。研究人員通過(guò)觀察成纖維細(xì)胞在材料表面的粘附，注意到先進(jìn)材料的成功生物功能化，而沒(méi)有表面功能化的樣品沒(méi)有表現(xiàn)出類似的細(xì)胞附著。

Rho相關(guān)蛋白激酶(ROCK)分子在細(xì)胞對(duì)表面形貌和底物力學(xué)的形態(tài)反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞的收縮機(jī)制發(fā)揮了重要作用。該材料構(gòu)建體還調(diào)節(jié)了促炎M1變體和促愈合M2變體之間的巨噬細(xì)胞分化，以建立對(duì)生物有利的可植入裝置。

生物電子學(xué)等先進(jìn)材料應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將先進(jìn)材料集成到軟生物電子學(xué)中，最終展示了多模態(tài)生理傳感。在這些迭代中，他們采用蛇形設(shè)計(jì)來(lái)創(chuàng)建具有高拉伸性的基于晶圓的電子產(chǎn)品，以承受材料的預(yù)洗-干燥過(guò)程。他們使用有限元分析來(lái)評(píng)估整個(gè)設(shè)備的應(yīng)力分布，并通過(guò)修改其幾何設(shè)計(jì)以提高機(jī)械完整性來(lái)增強(qiáng)電子元件的可拉伸性。

外表

通過(guò)這種方式，MingzeSun及其同事設(shè)計(jì)了具有出色力學(xué)和功能的仿肌腱水凝膠，主要源自納米纖維的組裝。他們使用材料成分提供的生物物理線索來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)，這對(duì)高級(jí)組織工程應(yīng)用很有用。先進(jìn)材料的肌腱模擬行為可用作可植入組織修復(fù)體。

研究人員檢查了先進(jìn)材料與體內(nèi)天然組織之間的物理整合，并設(shè)想了使用集成在先進(jìn)材料上的多功能生物電子學(xué)的可能性。這些包括提供關(guān)鍵功能，如生理監(jiān)測(cè)和集成無(wú)線模塊，用于外部硬件和電子活動(dòng)假肢之間的雙向通信。

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