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  取向結(jié)構(gòu)在血管、肌肉組織和骨骼等生物組織和器官中具有獨特而重要的功能，促進了營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運、細胞的遷移與排列。例如，在骨骼中存在的從微觀到宏觀的取向結(jié)構(gòu)賦予了其獨特的力學支持功能，它的各向異性特征和多孔結(jié)構(gòu)賦予了骨優(yōu)異的細胞增殖、定向遷移和原位血管化能力。而在自然界中，也存在許多具有類似獨特結(jié)構(gòu)的天然材料。木材就是一類典型的具備各向異性和多級結(jié)構(gòu)的天然材料，它具有沿排列方向運輸液體、在互連的介孔結(jié)構(gòu)中進行物質(zhì)交換的特性。木質(zhì)材料因其力學性能和物質(zhì)交換能力而得到了廣泛的研究，但在生物領域的應用仍然具有挑戰(zhàn)性。

  基于木材天然整齊排列的多孔纖維結(jié)構(gòu)，該研究團隊制備了取向結(jié)構(gòu)復合材料。木材的天然結(jié)構(gòu)和性能在制備過程中得到了完整的保留，表現(xiàn)出極佳的各向異性力學性能（縱向420MPa/徑向20MPa）。此外，它還具有定向液體傳輸功能，以促進各種細胞的均勻播種，并且可以有效地誘導細胞遷移（約80%遷移率）和取向。而復合材料中的羥基磷灰石（HAp）與聚己內(nèi)酯（PCL）的協(xié)同作用在很大程度上促進了細胞增殖和分化，為組織工程再生材料的研究提供了一種有前景的材料。

圖1.（a）天然木材結(jié)構(gòu)；（b）實驗流程示意圖：以天然木材為原料，通過去除木質(zhì)素（DW）、原位合成HAp（WH）和真空PCL浸潤（WHP）制備復合支架材料；（c）復合支架誘導的細胞遷移和取向示意圖。

  天然木材具有獨特的三維通道結(jié)構(gòu)，具有典型的各向異性特征。在整個制造過程中，通過控制PCL濃度和HAp原位合成時間，使內(nèi)部通道孔徑保持在合適的范圍，并且其結(jié)構(gòu)得到了最大程度的保留。

圖2. （a）支架的方向定義；（b）天然木材的三維重建模型；（c）天然木材和復合支架材料的照片；（d）DW支架（e）WH支架和（f）WHP支架沿徑向和縱向的SEM圖像。

  在對天然木材進行脫木素處理后，纖維素纖維之間的束縛被釋放，其孔隙率得到提高，增加了復合改性的空間。然后，原位合成的HAp在纖維表面生長，提高了支架的生物活性，并且最后在纖維表面包裹的PCL協(xié)同HAp成為了細胞黏附增殖的良好微環(huán)境。

圖3.不同支架不同方向的（a）壓縮力學性能曲線；（b） 壓縮模量；（c）（d） 循環(huán)壓縮曲線；（e）（f）遞進壓縮曲線。

  通過復合HAp和PCL，復合支架材料的力學性能和剪切性能得到提高，實驗組支架的壓縮模量可達420MPa，并且仍然保持著高度各向異性的特征。同時研究了各向異性對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，徑向和縱向支架均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學緩沖性能。徑向支架在相對較小的應變范圍內(nèi)具有極高的能量吸收能力，這意味著其具有較高抗沖擊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另一方面，縱向支架能夠在較大的應變范圍內(nèi)吸收能量，產(chǎn)生了獨特的力學緩沖作用。二者均反映了支架材料結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定性。

圖3. （a）control支架和（b）WHP支架內(nèi)MC3T3-E1（藍色）細胞遷移情況；WHP支架中MC3T3-E1（藍色）細胞與（c）HUVEC（紅色）或（d）L929（紅色）細胞共遷移情況。細胞培養(yǎng)皿中（e）MC3T3-E1細胞與HUVEC和（f）MC3T3-E1細胞與L929細胞共遷移前后的細胞量

  基于木材內(nèi)部高度取向排列的纖維素孔道結(jié)構(gòu)，制備了一種可誘導細胞遷移的生物相容性支架。天然木材的各向異性特性賦予了復合支架材料獨特的靜態(tài)力學性能和動態(tài)力學性能，而復合的HAp與PCL協(xié)同促進了細胞增殖和成骨分化。此外，由取向孔道結(jié)構(gòu)提供的細胞微環(huán)境可以在一定程度上引導細胞的遷移播種和取向生長，為新型生物復合支架的研究提供新的思路。

  相關工作近期發(fā)表于ACS Applied Material & Interfaces，Wood-Derived Hybrid Scaffold with Highly Anisotropic Features on Mechanics and Liquid Transport toward Cell Migration and Alignment，文章的第一作者為四川大學高分子科學與工程學院研究生劉晉明，通訊作者為楚合濤副研究員和李建樹教授。

  論文連接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c00646