香港大學徐立之團隊Science Advances：仿肌腱多功能水凝膠

生物組織與工程材料之間的不匹配限制了生物醫學設備和組織工程平臺的發展。然而，生物組織表現出許多難以用合成材料復制的特征。例如，肌腱是一種由定向的膠原纖維與軟保水生物聚合物交錯的分層組織，它有60%的含水量并且兼具優異的力學性能，肌腱的各向異性結構不僅為肌肉骨骼系統提供了重要的承重能力，而且還提供了重要的生物物理功能。

近日，香港大學徐立之團隊利用剛性芳綸納米纖維(ANF)和柔性聚乙烯醇(PVA)之間的可重構相互作用組裝了具有高度各向異性的多功能仿肌腱水凝膠，該水凝膠不僅模擬了定向的膠原纖維和軟蛋白聚糖之間的微觀結構，而且具有與天然肌腱相似的力學性能和約60%的含水量。各向異性的生物環境可以調節細胞生長行為，柔性生物電子也可以與水凝膠集成用于原位測量和電生理刺激。這些和肌腱相似的力學性能和生物功能表明了該水凝膠在生物醫學技術中的應用潛力。該論文以“Multifunctional tendon-mimetic hydrogels”為題發表在Science?Advances上。

具有分支裝微結構的ANF纖維為復合材料提供了類似膠原蛋白的骨架，ANF和PVA之間豐富的氫鍵給了三維納米纖維網絡提供了可重構性。通過拉伸干燥的方法使無序的纖維對齊排列，形成高度定向排列的納米纖維網絡。各向異性的微觀結構賦予了水凝膠穩健的力學行為。此外,?PVA鏈表面的化學鍵為生成具有生物活性的細胞界面和多功能生物電子的集成提供了可能。

纖維網絡的拉伸取向程度影響了各向異性水凝膠的力學性能。我們研究了預拉伸干燥過程中施加的伸長率和力學性能的關系。在平行于纖維排列方向上的模量和強度與干燥過程中施加的伸長程度密切相關， 預拉伸80%的各向異性水凝膠表現出的最高的彈性模量達到1.1 GPa、強度達到72.1 MPa，該值是各向同性水凝膠的65倍和10倍。拉伸誘導取向導致各向異性水凝膠在垂直于纖維取向方向的強度下降，部分原因是由于剛性纖維對承載的貢獻減小。預拉伸80%的各向異性水凝膠的彈性模量和機械強度顯著提高并且與天然肌腱相匹配，這是其他具有模擬肌腱特性的合成水凝膠所無法實現的。此外，各向異性水凝膠在平行和垂直兩個方向上都表現出較高的韌性。

各向異性水凝膠的結構特征可以通過界面作用影響細胞的生長。各向同性的水凝膠導致附著的成纖維細胞的隨機排列，各項異性水凝膠誘導細胞明顯的定向生長，細胞的定向程度隨著纖維取向程度的增加而增加。添加ROCK抑制劑Y-27623導致成纖維細胞定向減弱，這證實了細胞- 水凝膠界面上的機械感應和機械傳導過程對各向異性形態發生的影響。此外，各向異性水凝膠還具有促進巨噬細胞M2表型和抑制巨噬細胞M1表型的作用，對進一步應用于植入式器件具有重要意義。

最后，將多功能生物電子集成到各項異性水凝膠實現了多模態生理感知。水凝膠前驅液中PVA鏈上的羥基可以與微加工器件的功能化表面相互作用，通過溶劑交換固化后，水凝膠與轉印的電子元件之間形成了穩定的結合。基于微加工和轉印技術的多功能性，許多其他生物傳感器和執行器可以與該水凝膠集成。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade6973

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