調(diào)和天然生物組織和工程材料之間的不匹配是目前先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和組織工程平臺發(fā)展的關(guān)鍵需求。然而，天然組織表現(xiàn)出許多合成材料難以復(fù)制的特征。例如，肌腱具有與柔軟生物聚合物交織的平行的膠原纖維分層組織，它們含有約60 wt. %的水，同時(shí)擁有GPa級別的超高模量和55-120 MPa的機(jī)械強(qiáng)度。肌腱的各向異性結(jié)構(gòu)不僅為肌肉骨骼系統(tǒng)提供了基本的承重能力，而且還通過界面相互作用為細(xì)胞的行為提供重要的生物物理環(huán)境。近年來大量的研究工作致力于設(shè)計(jì)具有高結(jié)構(gòu)各向異性的仿肌腱材料。然而這些方法制備出的材料不是模量仍然比天然肌腱低幾個(gè)數(shù)量級，就是難以模仿承重軟組織中的微觀結(jié)構(gòu)相互作用從而無法重現(xiàn)天然肌腱的許多力學(xué)行為（如應(yīng)變硬化和粘彈性響應(yīng)等）。此外，仿肌腱材料的功能化很少被關(guān)注，因此限制了其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的潛力。

為解決上述問題，香港大學(xué)機(jī)械工程系徐立之教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種由芳綸納米纖維復(fù)合材料各向異性組裝而成的多功能仿肌腱水凝膠。在這些各向異性復(fù)合水凝膠(ACHs)中，堅(jiān)硬的納米纖維和柔軟的聚乙烯醇模擬了肌腱中排列的膠原纖維和蛋白聚糖之間的結(jié)構(gòu)相互作用。該水凝膠具備模量，高強(qiáng)度高斷裂韌性，還有許多與天然肌腱相匹配的附加特性。ACHs表面的生物功能化為調(diào)控附著細(xì)胞的行為提供生物物理線索。此外，通過納米微加工和轉(zhuǎn)印的方法，可以在ACHs上集成柔性電子器件從而實(shí)現(xiàn)各種生理信號的原位傳感。ACHs出色的力學(xué)性能和功能化表明它們在先進(jìn)組織工程、植入式義肢、人機(jī)交互和其他技術(shù)方面有進(jìn)一步的應(yīng)用。相關(guān)研究成果以標(biāo)題為?“Multifunctional Tendon-Mimetic Hydrogels”?發(fā)表在《Science Advances》上，香港大學(xué)機(jī)械工程系博士生孫銘澤和李禾耕為共同作者，徐立之教授為本文通訊作者。?

圖1 ACHs的合成及結(jié)構(gòu)表征
ANF和PVA之間大量的氫鍵賦予了納米纖維3D網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)性和高韌性?(圖1A)。單軸拉伸時(shí)，即使在80 %應(yīng)變下，纖維網(wǎng)絡(luò)仍在無結(jié)構(gòu)解體情況下沿拉伸方向定向?(圖1B)?。掃描電子顯微鏡圖像證實(shí)了ACH與各向同性ANF-PVA水凝膠相比具有高取向的纖維網(wǎng)絡(luò)?(圖1C)?。此外，PVA鏈可以做進(jìn)一步的化學(xué)功能化，使細(xì)胞具有生物活性界面或集成多功能生物電子器件?(圖1D)?。?

圖2

在與纖維排列方向平行的方向上，ACH的模量和強(qiáng)度與預(yù)拉伸干燥過程中施加的伸長程度密切相關(guān)，ACH-80展現(xiàn)出了1.1 GPa的最高彈性模量和?72.1 MPa的機(jī)械強(qiáng)度，比各向同性ANF-PVA水凝膠大概分別高65倍和10倍?(圖2A)。另一方面，拉伸誘導(dǎo)取向?qū)е翧CHs在垂直于纖維取向方向上的強(qiáng)度下降，部分原因是由于剛性纖維對承載的貢獻(xiàn)減小?(圖2B)。ACHs?的硬度各向異性可以達(dá)到80涵蓋了生物組織的硬度各向異性范圍?(圖2C)。值得注意的是，ACH-80的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度與天然肌腱相匹配，這是其他模擬肌腱特性的人工合成水凝膠所不能達(dá)到的?(圖2D)。在ACHs中排列的纖維在垂直于其取向的方向上增強(qiáng)了抗裂紋擴(kuò)展的能力，導(dǎo)致斷裂能高達(dá)7333 J/m2?(圖2E)。即使在循環(huán)延伸率為7.5%的情況下，ACH-80仍能承受高達(dá)~39 MPa的最大應(yīng)力，顯示出較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?(圖2F)。?

圖3

為了促進(jìn)細(xì)胞對ACHs的粘附和機(jī)械感應(yīng)，采用化學(xué)功能化方法，將RGD序列修飾在水凝膠上并與細(xì)胞膜上的整合素結(jié)合，從而促進(jìn)ACHs上的細(xì)胞粘附。研究者發(fā)現(xiàn)ACHs可以誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生明顯的定向，定向程度隨著纖維的排列程度增加而增加?(圖3A)。原子力顯微鏡表明了ACHs表面有取向的微溝槽，這可以為細(xì)胞取向提供接觸引導(dǎo)，也證明了自組裝的表面形貌是影響ACHs上細(xì)胞取向的主要因素?(圖3B)。除此之外，添加ROCK抑制劑Y-27623會(huì)大幅度減弱成纖維細(xì)胞的取向效果，這證實(shí)了細(xì)胞和水凝膠界面上的機(jī)械感應(yīng)和機(jī)械傳導(dǎo)過程對細(xì)胞各向異性形態(tài)發(fā)生的影響。除此之外，ACHs的各向異性特性促進(jìn)了巨噬細(xì)胞的伸長，同時(shí)促進(jìn)了M2生物標(biāo)志物的表達(dá)并且抑制了M1生物標(biāo)記物的表達(dá)。這對未來ACHs進(jìn)一步應(yīng)用于可植入式器件具有重要意義(圖3C，D)。?

圖4

最后，他們通過在ACHs上集成柔性生物電子器件來實(shí)現(xiàn)多模態(tài)生理傳感。具體來說，ACHs液體前驅(qū)體中PVA鏈上的羥基能與微加工器件的功能化表面相互作用，經(jīng)溶劑交換固化后，ANF-PVA水凝膠與轉(zhuǎn)印的電子器件之間形成了穩(wěn)定的結(jié)合?(圖4A)。硅片上的電子器件采用蛇形設(shè)計(jì)賦予其承受高拉伸的能力，以承受形成ACHs所需的預(yù)拉伸和干燥處理。有限元分析(FEA)表明，蛇形的器件在50%拉伸過程中的應(yīng)力分布明顯低于其組成材料[如聚酰亞胺(PI)和金]的失效閾值?(圖4B, C)。為了展示其傳感功能，ACHs上的生物電極陣列用于測試來自皮膚的電生理信號，從而獲得高質(zhì)量的心電圖(ECG)和肌電圖(EMG)記錄?(圖4D, E)?；诜庋b的薄膜電阻的溫度傳感器即使在水介質(zhì)中也展現(xiàn)出出色的溫度響應(yīng)?(圖4F)。此外，他們設(shè)計(jì)了一種基于ACHs的離子電導(dǎo)率的應(yīng)變傳感器，可以監(jiān)測不同振幅和頻率的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（圖4 G-I）。