組織工程開發(fā)仿生多功能肌腱模擬水凝膠

在現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上的一份新報告中，孫明澤和中國香港物理、機械工程、電氣和電子工程研究團隊報告了通過組裝芳綸納米纖維復(fù)合材料開發(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。該團隊受到天然肌腱的生物啟發(fā)，開發(fā)出具有高彈性模量、強度和斷裂韌性的水凝膠。

研究人員用生物活性分子對這些材料表面進行生物功能化，以呈現(xiàn)生物物理線索，從而賦予與細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了多種生理益處?；诩‰炷M物的出色功能，該團隊設(shè)想將該材料更廣泛地應(yīng)用于高級組織工程，以形成用于人機交互的植入式假肢。

材料工程仿生肌腱

材料科學(xué)家致力于為醫(yī)療設(shè)備和組織工程平臺開發(fā)先進的生物材料，以通過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)的承載能力來提供生物物理線索，這些線索通過界面相互作用轉(zhuǎn)化為細胞行為。在過去的十年中，研究人員投入了大量的研究工作來設(shè)計具有高結(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發(fā)了一個先進的材料平臺，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。在實驗過程中，他們在剛性和柔性聚合物之間建立了可重構(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)了細胞行為。

在實驗室中創(chuàng)造一種先進的聚合物材料

研究團隊通過拉伸和限制由剛性和柔性聚合物成分組成的材料來開發(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)。

該團隊在兩種聚合物成分之間進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)——這種努力對于現(xiàn)有的合成水凝膠來說并不可行。

高級聚合物的生物功能化

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

Rho相關(guān)蛋白激酶(ROCK)分子在細胞對表面形貌和底物力學(xué)的形態(tài)反應(yīng)過程中通過調(diào)節(jié)細胞的收縮機制發(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變體之間的巨噬細胞分化，以建立對生物有利的可植入裝置。

生物電子學(xué)等先進材料應(yīng)用

研究團隊通過將先進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)計來創(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-干燥過程。他們使用有限元分析來評估整個設(shè)備的應(yīng)力分布，并通過修改其幾何設(shè)計以提高機械完整性來增強電子元件的可拉伸性。

外表

通過這種方式，MingzeSun及其同事設(shè)計了具有出色力學(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調(diào)節(jié)細胞動力學(xué)，這對高級組織工程應(yīng)用很有用。先進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)測和集成無線模塊，用于外部硬件和電子活動假肢之間的雙向通信。

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