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  近日，北京航空航天大學趙勇研究團隊與麻省理工學院（MIT）郭明（Ming Guo）等受天然生物組織多尺度螺旋纖維結構的啟發，制備了具有超高應變和良好生物相容性的多尺度纖維束組織工程材料。相關成果以《Helical nanofiber yarn enabling highly stretchable engineered microtissue》為題，發表于國際著名期刊《美國科學院院刊(PNAS)》 (DOI: 10.1073/pnas.1821617116)。

  兩校研究團隊通過靜電紡絲結合連續加捻技術設計制備了具有多尺度結構的螺旋纖維束，這種螺旋纖維束除具有優異的力學性能外還具有超高可拉伸性，因此，利用該結構特點，研究團隊采用生物相容性材料制備了具有細胞動態拉伸穩定性的人造微組織，研究了細胞在多尺度結構螺旋纖維上的動態取向、生長、增殖和分化行為。如圖1所示，作者通過機械拉伸和三維實時觀測，探究了不同結構纖維束在動態拉伸狀態下（包括拉伸和彎曲等）作為細胞支架的生物活性和穩定性。研究表明，由于具有獨特的螺旋結構，多尺度纖維束在動態拉伸細胞活性方面明顯優于直線性纖維束。

圖1. 動態拉伸狀態下細胞成活率研究。在拉伸和彎曲狀態下螺旋纖維細胞成活率均顯著高于直線性纖維。

  作者發現材料表面的多尺度周期性拓撲結構不但可以改變細胞的物理特性，如細胞的成活率、體積、取向、生長脫落，同時還可以通過調控細胞種類及特定轉錄因子向細胞核的運輸，誘導充間質干細胞朝肌肉細胞的定向分化（圖2）。作者認為，此類多尺度螺旋纖維材料在未來有望用于組織器官修復替代品，如韌帶肌腱組織等。

圖2. 不同基底細胞分化行為對比。

  總之，該研究提出了一種普適性的制備多尺度結構螺旋纖維的方法，該方法為制備新型大應變生物材料提供了新思路，通過添加其他活性成分、調控組成和微觀結構，所制備的材料有望在健康監測、組織工程支架材料等領域得到進一步的應用。MIT 李一偉博士和北京航空航天大學郭鳳云博士為該論文共同第一作者，MIT 郭明（Ming Guo）助理教授和北京航空航天大學趙勇教授為該工作共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學優秀青年基金、中組部萬人計劃青年撥尖人才的支持。

  論文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/04/23/1821617116