超声联合前沿超滤实现纤维素纳米晶多尺度原位表征及其仿生软骨正交各向异性结构构建

本研究针对关节软骨仿生构建中正交各向异性结构难以复现的难题，创新性地结合超声(US)与前沿超滤(FU)技术，通过设计专用通道细胞装置同步施加声辐射力与跨膜压力，首次实现纤维素纳米晶(CNCs)从纳米级(SAXS/dichroism)到微米级(SALS)的多尺度原位表征。研究发现单步FU-US过程可形成三层定向结构：底部平行排列层、中部无序层及顶部垂直取向层，成功模拟天然软骨的分区特征。该工作为组织工程提供了可调控CNCs空间取向的新方法，发表于《Carbohydrate Polymers》。

　　

关节软骨的复杂层级结构一直是组织工程领域的重大挑战。这种天然组织由浅至深呈现三种截然不同的胶原纤维排列方式：表层平行排列、中间层随机分布、深层垂直取向。尽管纤维素纳米晶(CNCs)因其优异的力学性能(轴向弹性模量110-220 GPa)和自组装特性被广泛用于组织工程，但如何精确控制其三维空间排列以模拟天然软骨的"正交各向异性"结构仍是未解难题。现有技术如3D打印、溶剂浇铸等方法往往只能实现单一取向，多层结构间的界面结合力也常不足。法国研究人员通过创新性地耦合超声(US)与前沿超滤(FU)技术，在《Carbohydrate Polymers》发表的研究为这一领域带来突破。

研究团队开发了专用通道细胞装置，顶部设置振动超声刀产生垂直声辐射力(80%功率时P_a=4.8 W·cm^-2)，底部配置超滤膜施加跨膜压力(ΔP=1.2×10⁵ Pa)。采用多尺度原位表征技术：小角X射线散射(SAXS)解析纳米级排列，小角光散射(SALS)观测微米级胆甾相结构，二色性测量实时追踪颗粒取向变化。实验选用两种浓度(6 wt%和10.6 wt%)的CNCs悬浮液，通过TEM确认纳米晶尺寸特征。

研究结果揭示：在FU-US协同作用下，CNCs自发形成三层仿生结构。SAXS数据显示：①底层(距膜面<1.5 mm)：跨膜压力主导，CNCs浓度达临界值后平行膜面排列，形成水平各向异性结构；②中间层(1.5-3 mm)：声流与压力竞争，呈现随机取向的等方性特征；③上层(>3 mm)：声辐射力占优，CNCs垂直排列产生特征性"四叶草"散射图案。SALS进一步证实这种层级结构与天然软骨的三区结构高度相似。特别值得注意的是，二色性测量与SAXS结果高度吻合，验证了该方法作为快速检测手段的可靠性。

浓度梯度实验显示：6 wt%悬浮液更易形成清晰分层，而10.6 wt%样品因初始浓度接近液晶相变点(约12 wt%)，层间界限相对模糊。声功率调控实验表明，4.8 W·cm^-2是最佳参数，过低无法克服渗透压，过高则导致层间混合。时间演化研究发现，结构形成遵循"底部沉积-中部过渡-顶部取向"的动力学过程，94分钟可达稳态。

该研究首次实现CNCs多尺度正交各向异性结构的原位构建与表征，为软骨组织工程提供了新范式。其创新点在于：①单步工艺同步控制三维空间取向；②建立声压-渗透压竞争作用的理论框架；③开发二色性快速检测方法。这种仿生策略不仅适用于关节软骨修复，还可拓展至其他需要梯度结构的组织(如血管、骨软骨界面)。研究揭示的CNCs自组装规律，对开发新型智能材料也具有重要指导意义。未来通过优化US参数与膜表面特性，有望实现更复杂的螺旋手性控制，进一步逼近天然组织的精细结构。