南方科技大学任富增课题组《AFM》：源于仿生的高度各向异性、超强且具有骨传导性的矿化木材水凝胶复合材料，用于骨修复
模仿生物组织的各向异性水凝胶在耐损伤性、细胞引导和物质运输中起着至关重要的作用。然而，常规化学交联制备的水凝胶通常具有各向同性的网络结构、机械性能不足，而且缺乏骨传导性，这极大地限制了其在骨修复中的应用。
最近，南方科技大学任富增课题组受天然骨和木材精巧、有序、定向的多尺度多级结构启发，提出了一种“从木材到人工骨”的仿生设计策略，该策略将具有良好生物相容性的水凝胶真空浸渍到脱木质素的木材模板中，再原位矿化羟基磷灰石（HAp）纳米晶体，得到了一种高度各向异性、超强且具有骨传导性的水凝胶复合材料，可用于骨缺损修复。该研究成果以Bioinspired Highly Anisotropic, Ultrastrong and Stiff, and Osteoconductive Mineralized Wood Hydrogel Composites for Bone Repair为论文题目发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202010068）上。
图1. 基于天然骨和木材制备各向异性水凝胶复合材料的设计策略。(a)骨骼组织各向异性的多层组装结构示意图；（b）水凝胶复合材料的制备方法及微观结构示意图。
研究者们通过对复合水凝胶的微观形貌、物相及结构进行研究后发现，脱木质素处理保留了天然木材纤维的高取向度，并创造了供水凝胶渗透的多孔结构。真空浸润可将海藻酸盐水凝胶均匀填充在纤维的间隙。原位矿化的羟基磷灰石纳米晶体主要沉积在海藻酸盐水凝胶上，并沿着纤维骨架取向排列，均匀分布于复合水凝胶基体中。
图2. 结构、成分表征：(a-b) 天然松木的横截面及纵截面结构；（c）脱木质素前后木材各组分含量变化；（d-e）脱木素后模板的横截面及纵截面结构；（f）脱木质素前后模板的XRD图谱；（g-i）模板填充水凝胶后的微观结构；（j）沉积HAp后复合水凝胶的微观结构；（k）水凝胶复合HAp的TEM图及对应的选区电子衍射斑；（l）复合水凝胶中HAp的三维分布；（m）复合水凝胶的2D SAXS图。
由于纤维素与海藻酸盐之间的氢键作用以及在基体内均匀分布的Hap纳米晶体填充效应，该复合水凝胶表现出超强的力学性能，沿纤维取向方向的拉伸强度高达67.8 MPa，弹性模量达到670 MPa，比常规化学交联水凝胶高3个数量级，并超过大多数的强韧水凝胶材料，与天然骨的强度接近。在平行取向方向，水凝胶拉伸强度为13.2 MPa，弹性模量为7.4 MPa，表现出显著的各向异性。
图3. 化学处理后的木材（WW）、木材水凝胶(WH)、HAp矿化的木材水凝胶（MWH）复合材料力学性能对比：(a-c) 分别为WW、WH及MWH沿纤维取向L和垂直纤维取向R的拉伸应力-应变曲线；(d-e)拉伸强度和弹性模量对比；(f) 本研究制备的MWH与其他具有代表性的水凝胶材料、软骨、骨组织的机械强度及弹性模量对比；(h) 海藻酸盐水凝胶与纤维素分子间的氢键结合。
纳米HAp的定向有序沉积赋予了此木材水凝胶复合材料独特的生物功能性，不仅改善了成骨细胞在WH上的增殖和粘附，并成功诱导细胞向成骨分化。研究结果表明，在定向沉积纳米HAp的WMH上，成骨细胞沿着纤维模板呈明显的伸长形态，伸展的细胞丝状伪与HAp纳米晶体紧密粘附。成骨细胞中RHoA、Integrin α5、β1基因表达的显著上调证明了MWH复合材料有序的有机/无机复合界面能有效刺激细胞-基质信号传导，调控细胞骨架张力，最终诱导细胞向成骨分化。与未定向沉积HAp的WH相比，MWH上成骨细胞的ALP活性、成骨标志性基因表达和表面矿化的程度均明显上升，证明了HAp原位矿化的木材水凝胶复合材料优异的促成骨功能性。
图4. 木材水凝胶复合材料的体外细胞相容性及促成骨性能表征：(a) 成骨细胞在WW、WH及MWH上的增殖对比；（b-c）成骨细胞在WH、MWH上黏附的细胞骨架形态；(d-f) 成骨细胞在WH、MWH上的细胞形貌及细胞丝状伪足；(g) 成骨细胞整合素相关基因表达；(h) 成骨细胞ALP活性测定；(i-j) 成骨相关标志性基因表达；(k-l) 成骨细胞在WH、MWH上的矿化染色及定量分析。
研究者们将水凝胶复合材料植入到兔股骨缺损模型，以验证材料对骨缺损的体内修复效果。结果发现，经矿化HAp的木材水凝胶俯复合支架在植入后能有效诱导新骨在支架界面生长，提高了支架的骨整合性。支架与原生骨之间没有观察到空隙或纤维过渡组织，新骨能从支架界面逐渐向内生长，证明了该矿化的木材水凝胶复合材料优异的骨传导性。
图5. 木材水凝胶复合材料在兔股骨缺损模型中的骨修复效果: (a) 动物手术示意图；(b-d) Micro-CT表征新骨在缺损部位的生成以及缺损模型的BMD和BV/TV的定量分析；（e-f）缺损模型植入支架后的组织形态学分析。
论文共同第一作者为南方科技大学材料科学与工程系、前沿与交叉科学研究院研究助理教授王晓飞和材料科学与工程系研究助理教授方驹，通讯作者为任富增副教授。研究工作得到了国家重点研发计划（2016YFB0700803）和深圳市基础研究项目（ JCYJ20190809140401658)的支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010068
相关进展
马里兰大学李腾教授团队及浙大贾铮教授团队JMPS:木纤维水凝胶力学本构模型
南昌大学王小磊教授和廖岚教授团队合作：果冻启发的具有光控模式(抗菌/成骨)切换特性的可注射水凝胶用于个性化引导组织再生
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