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  模仿生物組織的各向異性水凝膠在耐損傷性、細(xì)胞引導(dǎo)和物質(zhì)運(yùn)輸中起著至關(guān)重要的作用。然而，常規(guī)化學(xué)交聯(lián)制備的水凝膠通常具有各向同性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能不足，而且缺乏骨傳導(dǎo)性，這極大地限制了其在骨修復(fù)中的應(yīng)用。

  最近，南方科技大學(xué)任富增課題組受天然骨和木材精巧、有序、定向的多尺度多級(jí)結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出了一種“從木材到人工骨”的仿生設(shè)計(jì)策略，該策略將具有良好生物相容性的水凝膠真空浸漬到脫木質(zhì)素的木材模板中，再原位礦化羥基磷灰石（HAp）納米晶體，得到了一種高度各向異性、超強(qiáng)且具有骨傳導(dǎo)性的水凝膠復(fù)合材料，可用于骨缺損修復(fù)。該研究成果以Bioinspired Highly Anisotropic, Ultrastrong and Stiff, and Osteoconductive Mineralized Wood Hydrogel Composites for Bone Repair為論文題目發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202010068）上。

圖1. 基于天然骨和木材制備各向異性水凝膠復(fù)合材料的設(shè)計(jì)策略。(a)骨骼組織各向異性的多層組裝結(jié)構(gòu)示意圖；（b）水凝膠復(fù)合材料的制備方法及微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

  研究者們通過(guò)對(duì)復(fù)合水凝膠的微觀形貌、物相及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，脫木質(zhì)素處理保留了天然木材纖維的高取向度，并創(chuàng)造了供水凝膠滲透的多孔結(jié)構(gòu)。真空浸潤(rùn)可將海藻酸鹽水凝膠均勻填充在纖維的間隙。原位礦化的羥基磷灰石納米晶體主要沉積在海藻酸鹽水凝膠上，并沿著纖維骨架取向排列，均勻分布于復(fù)合水凝膠基體中。

圖2. 結(jié)構(gòu)、成分表征：(a-b) 天然松木的橫截面及縱截面結(jié)構(gòu)；（c）脫木質(zhì)素前后木材各組分含量變化；（d-e）脫木素后模板的橫截面及縱截面結(jié)構(gòu)；（f）脫木質(zhì)素前后模板的XRD圖譜；（g-i）模板填充水凝膠后的微觀結(jié)構(gòu)；（j）沉積HAp后復(fù)合水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)；（k）水凝膠復(fù)合HAp的TEM圖及對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射斑；（l）復(fù)合水凝膠中HAp的三維分布；（m）復(fù)合水凝膠的2D SAXS圖。

  由于纖維素與海藻酸鹽之間的氫鍵作用以及在基體內(nèi)均勻分布的Hap納米晶體填充效應(yīng)，該復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出超強(qiáng)的力學(xué)性能，沿纖維取向方向的拉伸強(qiáng)度高達(dá)67.8 MPa，彈性模量達(dá)到670 MPa，比常規(guī)化學(xué)交聯(lián)水凝膠高3個(gè)數(shù)量級(jí)，并超過(guò)大多數(shù)的強(qiáng)韌水凝膠材料，與天然骨的強(qiáng)度接近。在平行取向方向，水凝膠拉伸強(qiáng)度為13.2 MPa，彈性模量為7.4 MPa，表現(xiàn)出顯著的各向異性。

圖3. 化學(xué)處理后的木材（WW）、木材水凝膠(WH)、HAp礦化的木材水凝膠（MWH）復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比：(a-c) 分別為WW、WH及MWH沿纖維取向L和垂直纖維取向R的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(d-e)拉伸強(qiáng)度和彈性模量對(duì)比；(f) 本研究制備的MWH與其他具有代表性的水凝膠材料、軟骨、骨組織的機(jī)械強(qiáng)度及彈性模量對(duì)比；(h) 海藻酸鹽水凝膠與纖維素分子間的氫鍵結(jié)合。

  納米HAp的定向有序沉積賦予了此木材水凝膠復(fù)合材料獨(dú)特的生物功能性，不僅改善了成骨細(xì)胞在WH上的增殖和粘附，并成功誘導(dǎo)細(xì)胞向成骨分化。研究結(jié)果表明，在定向沉積納米HAp的WMH上，成骨細(xì)胞沿著纖維模板呈明顯的伸長(zhǎng)形態(tài)，伸展的細(xì)胞絲狀偽與HAp納米晶體緊密粘附。成骨細(xì)胞中RHoA、Integrin α5、β1基因表達(dá)的顯著上調(diào)證明了MWH復(fù)合材料有序的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合界面能有效刺激細(xì)胞-基質(zhì)信號(hào)傳導(dǎo)，調(diào)控細(xì)胞骨架張力，最終誘導(dǎo)細(xì)胞向成骨分化。與未定向沉積HAp的WH相比，MWH上成骨細(xì)胞的ALP活性、成骨標(biāo)志性基因表達(dá)和表面礦化的程度均明顯上升，證明了HAp原位礦化的木材水凝膠復(fù)合材料優(yōu)異的促成骨功能性。

圖4. 木材水凝膠復(fù)合材料的體外細(xì)胞相容性及促成骨性能表征：(a) 成骨細(xì)胞在WW、WH及MWH上的增殖對(duì)比；（b-c）成骨細(xì)胞在WH、MWH上黏附的細(xì)胞骨架形態(tài)；(d-f) 成骨細(xì)胞在WH、MWH上的細(xì)胞形貌及細(xì)胞絲狀偽足；(g) 成骨細(xì)胞整合素相關(guān)基因表達(dá)；(h) 成骨細(xì)胞ALP活性測(cè)定；(i-j) 成骨相關(guān)標(biāo)志性基因表達(dá)；(k-l) 成骨細(xì)胞在WH、MWH上的礦化染色及定量分析。

  研究者們將水凝膠復(fù)合材料植入到兔股骨缺損模型，以驗(yàn)證材料對(duì)骨缺損的體內(nèi)修復(fù)效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)礦化HAp的木材水凝膠俯復(fù)合支架在植入后能有效誘導(dǎo)新骨在支架界面生長(zhǎng)，提高了支架的骨整合性。支架與原生骨之間沒(méi)有觀察到空隙或纖維過(guò)渡組織，新骨能從支架界面逐漸向內(nèi)生長(zhǎng)，證明了該礦化的木材水凝膠復(fù)合材料優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性。

圖5. 木材水凝膠復(fù)合材料在兔股骨缺損模型中的骨修復(fù)效果: (a) 動(dòng)物手術(shù)示意圖；(b-d) Micro-CT表征新骨在缺損部位的生成以及缺損模型的BMD和BV/TV的定量分析；（e-f）缺損模型植入支架后的組織形態(tài)學(xué)分析。

  論文共同第一作者為南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系、前沿與交叉科學(xué)研究院研究助理教授王曉飛和材料科學(xué)與工程系研究助理教授方駒，通訊作者為任富增副教授。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0700803）和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（ JCYJ20190809140401658)的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010068