香港大学徐立之团队Science Advances：仿肌腱多功能水凝胶

生物组织与工程材料之间的不匹配限制了生物医学设备和组织工程平台的发展。然而，生物组织表现出许多难以用合成材料复制的特征。例如，肌腱是一种由定向的胶原纤维与软保水生物聚合物交错的分层组织，它有60%的含水量并且兼具优异的力学性能，肌腱的各向异性结构不仅为肌肉骨骼系统提供了重要的承重能力，而且还提供了重要的生物物理功能。

近日，香港大学徐立之团队利用刚性芳纶纳米纤维(ANF)和柔性聚乙烯醇(PVA)之间的可重构相互作用组装了具有高度各向异性的多功能仿肌腱水凝胶，该水凝胶不仅模拟了定向的胶原纤维和软蛋白聚糖之间的微观结构，而且具有与天然肌腱相似的力学性能和约60%的含水量。各向异性的生物环境可以调节细胞生长行为，柔性生物电子也可以与水凝胶集成用于原位测量和电生理刺激。这些和肌腱相似的力学性能和生物功能表明了该水凝胶在生物医学技术中的应用潜力。该论文以“Multifunctional tendon-mimetic hydrogels”为题发表在Science Advances上。

具有分支装微结构的ANF纤维为复合材料提供了类似胶原蛋白的骨架，ANF和PVA之间丰富的氢键给了三维纳米纤维网络提供了可重构性。通过拉伸干燥的方法使无序的纤维对齐排列，形成高度定向排列的纳米纤维网络。各向异性的微观结构赋予了水凝胶稳健的力学行为。此外, PVA链表面的化学键为生成具有生物活性的细胞界面和多功能生物电子的集成提供了可能。

纤维网络的拉伸取向程度影响了各向异性水凝胶的力学性能。我们研究了预拉伸干燥过程中施加的伸长率和力学性能的关系。在平行于纤维排列方向上的模量和强度与干燥过程中施加的伸长程度密切相关， 预拉伸80%的各向异性水凝胶表现出的最高的弹性模量达到1.1 GPa、强度达到72.1 MPa，该值是各向同性水凝胶的65倍和10倍。拉伸诱导取向导致各向异性水凝胶在垂直于纤维取向方向的强度下降，部分原因是由于刚性纤维对承载的贡献减小。预拉伸80%的各向异性水凝胶的弹性模量和机械强度显著提高并且与天然肌腱相匹配，这是其他具有模拟肌腱特性的合成水凝胶所无法实现的。此外，各向异性水凝胶在平行和垂直两个方向上都表现出较高的韧性。

各向异性水凝胶的结构特征可以通过界面作用影响细胞的生长。各向同性的水凝胶导致附着的成纤维细胞的随机排列，各项异性水凝胶诱导细胞明显的定向生长，细胞的定向程度随着纤维取向程度的增加而增加。添加ROCK抑制剂Y-27623导致成纤维细胞定向减弱，这证实了细胞- 水凝胶界面上的机械感应和机械传导过程对各向异性形态发生的影响。此外，各向异性水凝胶还具有促进巨噬细胞M2表型和抑制巨噬细胞M1表型的作用，对进一步应用于植入式器件具有重要意义。

最后，将多功能生物电子集成到各项异性水凝胶实现了多模态生理感知。水凝胶前驱液中PVA链上的羟基可以与微加工器件的功能化表面相互作用，通过溶剂交换固化后，水凝胶与转印的电子元件之间形成了稳定的结合。基于微加工和转印技术的多功能性，许多其他生物传感器和执行器可以与该水凝胶集成。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade6973

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