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  取向結(jié)構(gòu)在血管、肌肉組織和骨骼等生物組織和器官中具有獨(dú)特而重要的功能，促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞的遷移與排列。例如，在骨骼中存在的從微觀到宏觀的取向結(jié)構(gòu)賦予了其獨(dú)特的力學(xué)支持功能，它的各向異性特征和多孔結(jié)構(gòu)賦予了骨優(yōu)異的細(xì)胞增殖、定向遷移和原位血管化能力。而在自然界中，也存在許多具有類似獨(dú)特結(jié)構(gòu)的天然材料。木材就是一類典型的具備各向異性和多級(jí)結(jié)構(gòu)的天然材料，它具有沿排列方向運(yùn)輸液體、在互連的介孔結(jié)構(gòu)中進(jìn)行物質(zhì)交換的特性。木質(zhì)材料因其力學(xué)性能和物質(zhì)交換能力而得到了廣泛的研究，但在生物領(lǐng)域的應(yīng)用仍然具有挑戰(zhàn)性。

  基于木材天然整齊排列的多孔纖維結(jié)構(gòu)，該研究團(tuán)隊(duì)制備了取向結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。木材的天然結(jié)構(gòu)和性能在制備過(guò)程中得到了完整的保留，表現(xiàn)出極佳的各向異性力學(xué)性能（縱向420MPa/徑向20MPa）。此外，它還具有定向液體傳輸功能，以促進(jìn)各種細(xì)胞的均勻播種，并且可以有效地誘導(dǎo)細(xì)胞遷移（約80%遷移率）和取向。而復(fù)合材料中的羥基磷灰石（HAp）與聚己內(nèi)酯（PCL）的協(xié)同作用在很大程度上促進(jìn)了細(xì)胞增殖和分化，為組織工程再生材料的研究提供了一種有前景的材料。

圖1.（a）天然木材結(jié)構(gòu)；（b）實(shí)驗(yàn)流程示意圖：以天然木材為原料，通過(guò)去除木質(zhì)素（DW）、原位合成HAp（WH）和真空PCL浸潤(rùn)（WHP）制備復(fù)合支架材料；（c）復(fù)合支架誘導(dǎo)的細(xì)胞遷移和取向示意圖。

  天然木材具有獨(dú)特的三維通道結(jié)構(gòu)，具有典型的各向異性特征。在整個(gè)制造過(guò)程中，通過(guò)控制PCL濃度和HAp原位合成時(shí)間，使內(nèi)部通道孔徑保持在合適的范圍，并且其結(jié)構(gòu)得到了最大程度的保留。

圖2. （a）支架的方向定義；（b）天然木材的三維重建模型；（c）天然木材和復(fù)合支架材料的照片；（d）DW支架（e）WH支架和（f）WHP支架沿徑向和縱向的SEM圖像。

  在對(duì)天然木材進(jìn)行脫木素處理后，纖維素纖維之間的束縛被釋放，其孔隙率得到提高，增加了復(fù)合改性的空間。然后，原位合成的HAp在纖維表面生長(zhǎng)，提高了支架的生物活性，并且最后在纖維表面包裹的PCL協(xié)同HAp成為了細(xì)胞黏附增殖的良好微環(huán)境。

圖3.不同支架不同方向的（a）壓縮力學(xué)性能曲線；（b） 壓縮模量；（c）（d） 循環(huán)壓縮曲線；（e）（f）遞進(jìn)壓縮曲線。

  通過(guò)復(fù)合HAp和PCL，復(fù)合支架材料的力學(xué)性能和剪切性能得到提高，實(shí)驗(yàn)組支架的壓縮模量可達(dá)420MPa，并且仍然保持著高度各向異性的特征。同時(shí)研究了各向異性對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，徑向和縱向支架均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)緩沖性能。徑向支架在相對(duì)較小的應(yīng)變范圍內(nèi)具有極高的能量吸收能力，這意味著其具有較高抗沖擊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另一方面，縱向支架能夠在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)吸收能量，產(chǎn)生了獨(dú)特的力學(xué)緩沖作用。二者均反映了支架材料結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定性。

圖3. （a）control支架和（b）WHP支架內(nèi)MC3T3-E1（藍(lán)色）細(xì)胞遷移情況；WHP支架中MC3T3-E1（藍(lán)色）細(xì)胞與（c）HUVEC（紅色）或（d）L929（紅色）細(xì)胞共遷移情況。細(xì)胞培養(yǎng)皿中（e）MC3T3-E1細(xì)胞與HUVEC和（f）MC3T3-E1細(xì)胞與L929細(xì)胞共遷移前后的細(xì)胞量

  基于木材內(nèi)部高度取向排列的纖維素孔道結(jié)構(gòu)，制備了一種可誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的生物相容性支架。天然木材的各向異性特性賦予了復(fù)合支架材料獨(dú)特的靜態(tài)力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，而復(fù)合的HAp與PCL協(xié)同促進(jìn)了細(xì)胞增殖和成骨分化。此外，由取向孔道結(jié)構(gòu)提供的細(xì)胞微環(huán)境可以在一定程度上引導(dǎo)細(xì)胞的遷移播種和取向生長(zhǎng)，為新型生物復(fù)合支架的研究提供新的思路。

  相關(guān)工作近期發(fā)表于ACS Applied Material & Interfaces，Wood-Derived Hybrid Scaffold with Highly Anisotropic Features on Mechanics and Liquid Transport toward Cell Migration and Alignment，文章的第一作者為四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院研究生劉晉明，通訊作者為楚合濤副研究員和李建樹(shù)教授。

  論文連接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c00646