【科研摘要】
模仿具有方向性功能的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，常规的合成水凝胶通常具有各向同性的网络结构，不足的机械性能和缺乏骨传导性，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副教授团队受天然骨骼和木材的启发，提出了一种仿生策略，该方法可通过将生物相容性水凝胶浸渍到脱木素的木材中，然后在原位矿化羟基磷灰石（HAp）纳米晶体来制造高度各向异性，超强且坚硬且具有骨传导性的水凝胶复合材料。排列良好的纤维素纳米原纤维使复合材料具有高度各向异性的结构和机械性能。对齐的纤维素纤维的强分子间键和水凝胶/木材相互作用以及HAp的增强纳米填料使复合材料具有显着的抗张强度67.8 MPa和弹性模量670 MPa，比常规藻酸盐水凝胶高三个数量级。更重要的是，生物相容性水凝胶与对齐的HAp纳米晶体可以在体外有效促进成骨分化并在体内诱导骨形成。骨向内生长到水凝胶复合支架中也产生良好的骨整合。这项研究提供了一种低成本，生态友好，可行且可扩展的方法来制造各向异性，强固，坚硬，亲水和骨传导性水凝胶复合材料，用于骨骼修复。相关论文以题为Bioinspired Highly Anisotropic, Ultrastrong and Stiff, and Osteoconductive Mineralized Wood Hydrogel Composites for Bone Repair发表在《Advanced Functional Materials》上。
【主图见析】
图1 矿化木水凝胶复合材料的设计策略，制造和微观结构。a）天然骨骼的层次结构示意图。b）MWH的制造方法和结构的示意图。L，R和T分别定义了树干的纵向（平行于树木生长/纤维素轴向），径向和切线方向。
图2 结构和成分表征。a，b）分别是天然松木的横断面和纵断面的SEM图像。c）脱木素处理后，部件重量发生变化。d，e）分别是WW的横断面和纵断面的SEM图像。f）天然松木和WW的XRD图案。g，h）分别为WH的横截面和纵向的SEM图像。i）藻酸盐水凝胶的微观结构的高倍SEM图像。j）MWH横截面的SEM图像。k）带有相应SAED图案（插图）的沉淀的矿物晶体和聚合物原纤维的TEM图像。l）MWH的X射线断层图像（红色显示HAp分布）。m）MWH的2D SAXS模式。
图3 WW，WH和MWH的各向异性力学性能。a–c）分别是WW，WH和MWH沿L和R方向的拉伸应力-应变曲线。d，e）分别测得的WW，WH和MWH的拉伸强度和弹性模量（n = 5）。f）比较目前的MWH（沿L方向）与其他水凝胶，软组织和天然骨的机械强度和弹性模量。g）WH的代表性SEM图像，显示了纤维素纤维和藻酸盐水凝胶之间的键合。h）SA聚合物和纤维素分子链之间氢键的示意图。
图4 水凝胶复合材料的体外细胞相容性和成骨潜能。a）孵育4天和7天后，MC3T3-E1成骨细胞在WW，WH和MWH上的生存力以及空白对照。b，c）分别在WH和MWH上孵育1天后，用鬼笔环肽染色的F-肌动蛋白（红色）和DAPI染色的细胞核（蓝色）的成骨细胞的荧光显微镜图像。d，e）分别在WH和MWH上培养的细胞的SEM图像。f）HAp纳米晶体上细胞丝状伪足的放大SEM图像。g）通过qRT-PCR分析的RhoA，整合素α5和整合素β1的表达水平。h）在MWH上孵育7、14和21天后，细胞的ALP活性表达。i，j）分别是MWH上早期标记基因（在第7和14天的ALP和RUNX2）和晚期标记基因（在第14和21天的OCN和OPN）的相对mRNA表达水平。k）使用茜素红S染色在骨诱导条件培养基中与WH和MWH孵育21天后，MC3T3-E1前成骨细胞的体外ECM矿化作用。l）WH和MWH的定量矿化区域。
图5 使用兔股骨缺损模型的水凝胶复合材料的体内骨形成。a）手术程序示意图。b）分别植入WH和MWH的两个相邻骨缺损部位的X射线图像。c）用MWH（①上）和WH（②底部）支架治疗的股骨缺损的Micro-CT重建模型。红色箭头表示新骨向内生长到MWH支架中。d）植入WH和MWH的骨缺损中的定量BMD和BV/TV分析。e，f）分别植入WH和MWH 60天后的骨形成的组织学分析。
【总结】
受天然骨骼和木材的分层各向异性结构的启发，研究团队开发了一种仿生策略，以制备高各向异性，高超强强度和刚度，高吸水性和优异骨传导性的各向异性水凝胶复合材料，从而通过将水凝胶浸渍到经过脱木素的木材中来进行骨修复。模板，然后原位矿化HAp纳米晶体。高度各向异性的结构和力学行为（MWH的σL/σR=5.1和EL/ER=90.5）归因于木材中纤维素纤维的排列正确。由于排列的纤维素原纤维的强分子间键，SA与WW之间形成的强氢键以及无机HAp相的增强纳米填料，目前的MWH在沿过程中表现出显着的抗张强度≈68MPa和弹性模量670 MPa。纵向，几乎超过了目前所有可用的强力水凝胶。在体外，MWH复合物可以促进成骨细胞前的粘附，扩散，增殖和成骨分化。在体内，MWH复合材料可诱导骨骼形成并增强骨整合。这些综合的卓越性能使本发明的MWH复合材料成为骨修复的有前途的候选者。
参考文献：
doi.org/10.1002/adfm.202010068
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