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  近日，北京航空航天大學(xué)趙勇研究團(tuán)隊(duì)與麻省理工學(xué)院（MIT）郭明（Ming Guo）等受天然生物組織多尺度螺旋纖維結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，制備了具有超高應(yīng)變和良好生物相容性的多尺度纖維束組織工程材料。相關(guān)成果以《Helical nanofiber yarn enabling highly stretchable engineered microtissue》為題，發(fā)表于國際著名期刊《美國科學(xué)院院刊(PNAS)》 (DOI: 10.1073/pnas.1821617116)。

  兩校研究團(tuán)隊(duì)通過靜電紡絲結(jié)合連續(xù)加捻技術(shù)設(shè)計(jì)制備了具有多尺度結(jié)構(gòu)的螺旋纖維束，這種螺旋纖維束除具有優(yōu)異的力學(xué)性能外還具有超高可拉伸性，因此，利用該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)采用生物相容性材料制備了具有細(xì)胞動(dòng)態(tài)拉伸穩(wěn)定性的人造微組織，研究了細(xì)胞在多尺度結(jié)構(gòu)螺旋纖維上的動(dòng)態(tài)取向、生長、增殖和分化行為。如圖1所示，作者通過機(jī)械拉伸和三維實(shí)時(shí)觀測，探究了不同結(jié)構(gòu)纖維束在動(dòng)態(tài)拉伸狀態(tài)下（包括拉伸和彎曲等）作為細(xì)胞支架的生物活性和穩(wěn)定性。研究表明，由于具有獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)，多尺度纖維束在動(dòng)態(tài)拉伸細(xì)胞活性方面明顯優(yōu)于直線性纖維束。

圖1. 動(dòng)態(tài)拉伸狀態(tài)下細(xì)胞成活率研究。在拉伸和彎曲狀態(tài)下螺旋纖維細(xì)胞成活率均顯著高于直線性纖維。

  作者發(fā)現(xiàn)材料表面的多尺度周期性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但可以改變細(xì)胞的物理特性，如細(xì)胞的成活率、體積、取向、生長脫落，同時(shí)還可以通過調(diào)控細(xì)胞種類及特定轉(zhuǎn)錄因子向細(xì)胞核的運(yùn)輸，誘導(dǎo)充間質(zhì)干細(xì)胞朝肌肉細(xì)胞的定向分化（圖2）。作者認(rèn)為，此類多尺度螺旋纖維材料在未來有望用于組織器官修復(fù)替代品，如韌帶肌腱組織等。

圖2. 不同基底細(xì)胞分化行為對比。

  總之，該研究提出了一種普適性的制備多尺度結(jié)構(gòu)螺旋纖維的方法，該方法為制備新型大應(yīng)變生物材料提供了新思路，通過添加其他活性成分、調(diào)控組成和微觀結(jié)構(gòu)，所制備的材料有望在健康監(jiān)測、組織工程支架材料等領(lǐng)域得到進(jìn)一步的應(yīng)用。MIT 李一偉博士和北京航空航天大學(xué)郭鳳云博士為該論文共同第一作者，MIT 郭明（Ming Guo）助理教授和北京航空航天大學(xué)趙勇教授為該工作共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金、中組部萬人計(jì)劃青年撥尖人才的支持。

  論文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/04/23/1821617116