组织工程：开发仿生多功能肌腱模拟水凝胶

在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，孙明泽和中国香港的物理、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，以模拟肌腱中胶原纤维和蛋白聚糖之间通常发生的生物相互作用。该团队受到天然肌腱的生物启发，开发了具有高弹性模量、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，以赋予与细胞附着的行为相似性。此外，集成在水凝胶上的软生物电子元件促进了各种生理益处。基于肌腱模拟物的出色功能，该团队设想了这些材料在先进组织工程中的更广泛应用，以形成用于人机交互的植入式假肢。

仿生肌腱材料工程

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，天然组织结构具有难以合成复制的各种特征。肌腱的结构依赖于肌肉骨骼系统的承重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，研究人员投入了广泛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种先进的材料平台，以构建具有肌腱样行为和生物界面多功能性的杂交各向异性水凝胶。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，以形成一个高度定向的框架，模拟排列的胶原纤维和软蛋白聚糖之间的微观结构相互作用。因此，各向异性生物物理线索的仿生结果调节了细胞行为。

在实验室中创造先进的高分子材料

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。所得材料展示了模仿胶原蛋白样构建块的分支微观结构。

该团队在两种聚合物成分之间进行了广泛的氢键，以创建具有高韧性的三维网络，即使在高应变水平下，原纤维网络也不会发生结构分解，从而导致它们一致的排列。然后，他们观察到各向同性水凝胶的特征纤维网络，类似于天然肌腱中看到的分层结构 - 这种努力对于预先存在的合成水凝胶来说是不可行的。

先进聚合物的生物官能化

科学家们接下来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，例如精氨酸甘氨酰天冬氨酸基序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上的粘附，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)分子在细胞形态响应期间对表面形貌和底物力学的收缩机制进行调控，发挥了重要作用。该材料构建物还调节促炎M1变体和促愈合M2变体之间的巨噬细胞分化，以建立生物有利的植入装置。

先进材料作为生物电子学的应用

研究团队最终通过将先进材料集成到软生物电子学中来展示多模态生理传感。在这些迭代中，他们采用了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来提高机械完整性，从而提高电子元件的可拉伸性。

展望

通过这种方式，Mingze Sun及其同事设计了具有出色力学和功能的肌腱模拟水凝胶，这些水凝胶主要起源于纳米纤维的组装。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，可用于高级组织工程应用。先进材料的肌腱模拟行为可用作植入式组织假肢。

研究人员检查了体内先进材料和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。其中包括提供生理监测和集成无线模块等关键功能，以实现外部硬件和电子主动假肢之间的双向通信。