彻底改变再生医学的自我修复生物基“活”材料

　　

宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，一种可以模仿生物组织内某些行为的生物材料可以促进再生医学、疾病建模、软机器人等领域的发展。

研究小组称，迄今为止，用于模拟组织和细胞外基质（ECMs）的材料都有局限性，阻碍了它们的实际应用。ECMs是人体的生物支架，由蛋白质和分子组成，围绕并支撑着组织和细胞。为了克服这些限制，研究人员开发了一种生物基的“活”材料，它具有自我修复特性，并模仿了ECMs对机械应力的生物反应。

他们在《Materials Horizons》杂志上发表了他们的研究结果，该杂志的封面也刊登了这项研究。通讯作者，化学工程副教授，Dorothy Foehr Huck和J. Lloyd Huck生物材料和再生工程早期职业主席Amir Sheikhi说：“我们开发了一种无细胞（或无细胞）材料，可以动态模拟ECMs的行为，ECMs是哺乳动物组织的关键组成部分，对组织结构和细胞功能至关重要。”

根据研究人员的说法，他们之前迭代的材料——一种水凝胶，或富含水的聚合物网络——是合成的，缺乏ECMs的机械响应性和生物模仿性的理想组合。

Sheikhi说：“具体来说，这些材料需要复制非线性应变硬化，这是当ECM网络在细胞施加的物理力或外部刺激引起的应变下变硬时。非线性应变硬化对于提供结构支持和促进细胞信号传导很重要。这些材料还需要复制组织结构和生存所必需的自我修复特性。先前的合成水凝胶在平衡材料复杂性、生物相容性和ECMs的机械模仿方面存在困难。”

该团队通过开发由“毛状”纳米颗粒制成的无细胞纳米复合活水凝胶（LivGels）来解决这些限制。纳米颗粒由纳米晶体或“nLinkers”组成，末端是无序的纤维素链或“毛发”。这些毛发引入了各向异性，这意味着nLinkers具有不同的特性，这取决于它们的方向，并允许与生物聚合物网络动态结合。在这种情况下，纳米颗粒与改性海藻酸盐的生物聚合物基质结合，这是一种在褐藻中发现的天然多糖。

“这些nLinkers在基体内形成动态键，实现应变强化行为，即模仿ECM对机械应力的响应；并指出，研究人员使用流变学测试来测量材料在各种压力下的行为，以测量高应变后LivGels恢复其结构的速度。“这种设计方法允许对材料的机械性能进行微调，以匹配天然ECMs的机械性能。”

Sheikhi说，至关重要的是，这种材料完全由生物材料制成，避免了有潜在生物相容性问题的合成聚合物。除了减轻先前开发的材料的局限性之外，LivGels在不牺牲结构完整性的情况下实现了非线性力学和自我修复的双重特性。nLinkers特别促进动态相互作用，允许精确控制刚度和应变增强特性。综上所述，该设计方法将大块静态水凝胶转化为动态水凝胶，与ECMs非常相似。

潜在的应用包括再生医学中用于组织修复和再生的支架，用于药物测试的模拟组织行为，以及为研究疾病进展创造现实环境。研究人员表示，它还可以用于3D生物打印定制水凝胶或开发具有适应性机械性能的软机器人。

Sheikhi说：“我们的下一步包括针对特定组织类型优化LivGels，探索再生医学的体内应用，将LivGels与3D生物打印平台集成，并研究动态可穿戴或植入式设备的潜力。”