组织工程开发仿生多功能肌腱模拟水凝胶

在现在发表在《科学进展》杂志上的一份新报告中，孙明泽和中国香港物理、机械工程、电气和电子工程研究团队报告了通过组装芳纶纳米纤维复合材料开发多功能肌腱模拟水凝胶。

各向异性复合水凝胶(ACH)包含坚硬的纳米纤维和柔软的聚乙烯醇部分，以模拟通常发生在肌腱中胶原纤维和蛋白聚糖之间的生物相互作用。该团队受到天然肌腱的生物启发，开发出具有高弹性模量、强度和断裂韧性的水凝胶。

研究人员用生物活性分子对这些材料表面进行生物功能化，以呈现生物物理线索，从而赋予与细胞附着行为相似的行为。此外，集成在水凝胶上的软生物电子元件促进了多种生理益处。基于肌腱模拟物的出色功能，该团队设想将该材料更广泛地应用于高级组织工程，以形成用于人机交互的植入式假肢。

材料工程仿生肌腱

材料科学家致力于为医疗设备和组织工程平台开发先进的生物材料，以通过材料工程模拟天然生物组织结构。然而，天然组织结构具有多种难以合成复制的特征。肌腱的结构依赖于肌肉骨骼系统的承载能力来提供生物物理线索，这些线索通过界面相互作用转化为细胞行为。在过去的十年中，研究人员投入了大量的研究工作来设计具有高结构各向异性的肌腱模拟材料。

Sun及其同事为他们的工作开发了一个先进的材料平台，以构建在生物界面上具有类肌腱行为和多功能性的混合各向异性水凝胶。在实验过程中，他们在刚性和柔性聚合物之间建立了可重构的相互作用，以形成高度定向的框架，模拟对齐的胶原纤维和软蛋白聚糖之间的微观结构相互作用。各向异性生物物理线索的仿生结果从而调节了细胞行为。

在实验室中创造一种先进的聚合物材料

研究团队通过拉伸和限制由刚性和柔性聚合物成分组成的材料来开发各向异性复合水凝胶。由此产生的材料展示了模仿胶原蛋白样构建块的分支微结构。

该团队在两种聚合物成分之间进行了广泛的氢键键合，以创建具有高韧性的三维网络，其中原纤维网络即使在高应变下也不会发生结构分解，从而导致它们一致排列。然后，他们观察到各向同性水凝胶特有的纤维状网络，类似于天然肌腱中的分层结构——这种努力对于现有的合成水凝胶来说并不可行。

高级聚合物的生物功能化

接下来，科学家们研究了新聚合物的结构特征及其通过界面相互作用对细胞行为的影响。他们采用化学功能化来呈现细胞粘附基序，例如精氨酰甘氨酰天冬氨酸基序，以与细胞膜上的整合素结合。研究人员通过观察成纤维细胞在材料表面的粘附，注意到先进材料的成功生物功能化，而没有表面功能化的样品没有表现出类似的细胞附着。

Rho相关蛋白激酶(ROCK)分子在细胞对表面形貌和底物力学的形态反应过程中通过调节细胞的收缩机制发挥了重要作用。该材料构建体还调节了促炎M1变体和促愈合M2变体之间的巨噬细胞分化，以建立对生物有利的可植入装置。

生物电子学等先进材料应用

研究团队通过将先进材料集成到软生物电子学中，最终展示了多模态生理传感。在这些迭代中，他们采用蛇形设计来创建具有高拉伸性的基于晶圆的电子产品，以承受材料的预洗-干燥过程。他们使用有限元分析来评估整个设备的应力分布，并通过修改其几何设计以提高机械完整性来增强电子元件的可拉伸性。

外表

通过这种方式，MingzeSun及其同事设计了具有出色力学和功能的仿肌腱水凝胶，主要源自纳米纤维的组装。他们使用材料成分提供的生物物理线索来调节细胞动力学，这对高级组织工程应用很有用。先进材料的肌腱模拟行为可用作可植入组织修复体。

研究人员检查了先进材料与体内天然组织之间的物理整合，并设想了使用集成在先进材料上的多功能生物电子学的可能性。这些包括提供关键功能，如生理监测和集成无线模块，用于外部硬件和电子活动假肢之间的双向通信。

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