赵勇课题组的研究成果仿生分级结构可拉伸螺旋纤维支架实现运动组织“动态修复”

shadan

近日，北京航空航天大学赵勇团队与空军军医大学孔亮团队合作在材料领域著名期刊Matter上发表题为“Bioinspired stretchable helical nanofiber yarn scaffold for locomotive tissue dynamic regeneration”的研究成果。研究团队打破传统运动组织损伤修复的固定治疗模式，发展了一种仿生多尺度结构可拉伸螺旋纤维支架，并成功用于无固定模式下运动组织动态修复。北京航空航天大学化学学院博士生王雅琼、空军军医大学刘富伟博士、北京航空航天大学王女副教授为论文共同第一作者，赵勇教授和孔亮教授为共同通讯作者。
        俗话说“伤筋动骨一百天”，这是千百年来无数经验的总结。“一百天”从现代生理学上看，运动组织的修复大概需要三个月左右的时间。传统运动组织治疗过程往往需要石膏固定或卧床静养避免运动。而另一句众所周知的俗语是“生命在于运动”，是指人体必须保持适度的运动刺激才能保证正常的功能。过度的静养会发生重力性水肿、肌萎缩、韧带松弛、关节僵直、创伤性关节炎、褥疮等并发症或后遗症，严重者甚至可能残疾。可以看出，这两种看似矛盾的说法实则各有道理：一方面，局部组织损伤后需要一定时间的静态环境来完成组织自修复;另一方面，对于已修复的组织和身体其它未受损部位则需要适当活动以保持机体的正常功能，这也有利于快速康复。因此，如何平衡运动与静养的关系，在保证机体组织快速修复的前提下及早进行恢复性运动，进而是否有可能在不影响机体修复的前提下仍可进行适当的运动成为研究人员追求的目标。
        因此，促进组织愈合的同时维持损失组织的运动功能是必要的。为了实现该挑战，在组织修复过程中不仅仅要考虑组织独特结构的重建，还需为细胞的迁移和增殖提供匹配的体内力学微环境。

图1. 仿生螺旋分级纤维支架设计示意图

        研究团队受天然生物组织分级结构的启发，制备了具有大应变和良好生物相容性的分级结构螺旋纤维束组织工程材料（图1）。团队将静电纺丝和连续加捻技术结合，设计制备了具有分级结构的螺旋纤维支架，利用弹性体聚合物和弹簧状线圈结构的协同作用赋予该支架优异的可拉伸性和耐疲劳性。

图2. 循环应变下细胞动态存活

        研究团队探究了细胞在螺旋纤维支架上动态培养的生长状态。通过周期性机械拉伸和三维的实时观测，研究细胞在分级螺旋结构上的动态取向、迁移和增殖行为（如图2），证明了细胞支架的生物活性和稳定性。研究表明，独特的螺旋结构在大应变下的纳米纤维重排使细胞所承受的实际应变与外部施加的应变相比明显减小。换句话说，螺旋纤维支架的非仿射变形缓冲效应很好地保护了细胞拉伸受力和变形。所以，螺旋纤维支架在动态培养过程中细胞活性方面明显优于直线性纤维束。

图3. 螺旋支架植入大鼠腿部肌肉的组织学分析

         随后，研究人员将该螺旋纤维支架植入到小鼠模型并在非固定情况下研究其组织修复行为研究发现，随着植入时间的增加细胞逐渐向支架内部浸润生长，同时胶原纤维和肌纤维在支架边界处沉积，说明螺旋纤维支架为细胞生长和组织再生提供了稳定的力学微环境，有利于缺损组织愈合。宏观运动行为显示，植入可拉伸支架的小鼠即使在组织损伤时也能控制自主运动，满足促进损伤修复同时防止肌肉萎缩。因此，分层螺旋支架为克服临床运动组织损伤的“固定-运动”悖论提供了一个理想的平台（如图3）。
        总之，该工作为构筑新型可拉伸组织修复生物材料提供了新思路，这种新型工程支架材料有望在再生医学、运动医学、野外及战场应急治疗等领域得到进一步的应用。
        该研究工作得到了国家自然科学基金(21774005)和中央高校基本科研业务经费(YWF-22-K-101)等支持。北京航空航天大学化学学院江雷院士、空军军医大学赵铱民院士、中科院理化所王树涛研究员、麻省理工学院（MIT）郭明教授、华中科技大学李一伟教授也对该研究给予大力支持。该工作以全文(Article)形式发表在Matter 2022, DOI: 0.1016/j.matt.2022.09.011
         原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.09.011
         文章来源：北航
         赵勇，博士，北京航空航天大学教授，博士生导师。2015年获万人计划“青年拔尖”人才计划支持，2012年获国家自然科学“优秀青年”基金支持，2011年获教育部新世纪优秀人才计划支持。2002-2007年于中科院化学所获博士学位（导师：江雷院士）。2007-2011中科院化学所助理研究员，副研究员。2011至今，北京航空航天大学教授。2016获留学基金委“未来科学家”项目资助赴哈佛大学访问交流。主要研究方向：仿生多尺度轻质高强微纳米纤维材料在环境、能源、生物领域的应用。课题组与哈佛大学、MIT、Boston University, 复旦大学、中科院苏州纳米所、中科院青能所、清华大学、中山大学、工程热物理所、第四军医大学等国内外高校研究机构等开展了广泛的交流与合作。