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  近日，北京航空航天大學(xué)趙勇團(tuán)隊與空軍軍醫(yī)大學(xué)孔亮團(tuán)隊合作在材料領(lǐng)域著名期刊Matter上發(fā)表題為“Bioinspired stretchable helical nanofiber yarn scaffold for locomotive tissue dynamic regeneration”的研究成果。研究團(tuán)隊打破傳統(tǒng)運動組織損傷修復(fù)的固定治療模式，發(fā)展了一種仿生多尺度結(jié)構(gòu)可拉伸螺旋纖維支架，并成功用于無固定模式下運動組織動態(tài)修復(fù)。北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生王雅瓊、空軍軍醫(yī)大學(xué)劉富偉博士、北京航空航天大學(xué)王女副教授為論文共同第一作者，趙勇教授和孔亮教授為共同通訊作者。

  俗話說“傷筋動骨一百天”，這是千百年來無數(shù)經(jīng)驗的總結(jié)。“一百天”從現(xiàn)代生理學(xué)上看，運動組織的修復(fù)大概需要三個月左右的時間。傳統(tǒng)運動組織治療過程往往需要石膏固定或臥床靜養(yǎng)避免運動。而另一句眾所周知的俗語是“生命在于運動”，是指人體必須保持適度的運動刺激才能保證正常的功能。過度的靜養(yǎng)會發(fā)生重力性水腫、肌萎縮、韌帶松弛、關(guān)節(jié)僵直、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、褥瘡等并發(fā)癥或后遺癥，嚴(yán)重者甚至可能殘疾。可以看出，這兩種看似矛盾的說法實則各有道理：一方面，局部組織損傷后需要一定時間的靜態(tài)環(huán)境來完成組織自修復(fù);另一方面，對于已修復(fù)的組織和身體其它未受損部位則需要適當(dāng)活動以保持機(jī)體的正常功能，這也有利于快速康復(fù)。因此，如何平衡運動與靜養(yǎng)的關(guān)系，在保證機(jī)體組織快速修復(fù)的前提下及早進(jìn)行恢復(fù)性運動，進(jìn)而是否有可能在不影響機(jī)體修復(fù)的前提下仍可進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\動成為研究人員追求的目標(biāo)。

  因此，促進(jìn)組織愈合的同時維持損失組織的運動功能是必要的。為了實現(xiàn)該挑戰(zhàn)，在組織修復(fù)過程中不僅僅要考慮組織獨特結(jié)構(gòu)的重建，還需為細(xì)胞的遷移和增殖提供匹配的體內(nèi)力學(xué)微環(huán)境。 

圖1. 仿生螺旋分級纖維支架設(shè)計示意圖

  研究團(tuán)隊受天然生物組織分級結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，制備了具有大應(yīng)變和良好生物相容性的分級結(jié)構(gòu)螺旋纖維束組織工程材料（圖1）。團(tuán)隊將靜電紡絲和連續(xù)加捻技術(shù)結(jié)合，設(shè)計制備了具有分級結(jié)構(gòu)的螺旋纖維支架，利用彈性體聚合物和彈簧狀線圈結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用賦予該支架優(yōu)異的可拉伸性和耐疲勞性。 

圖2. 循環(huán)應(yīng)變下細(xì)胞動態(tài)存活

  研究團(tuán)隊探究了細(xì)胞在螺旋纖維支架上動態(tài)培養(yǎng)的生長狀態(tài)。通過周期性機(jī)械拉伸和三維的實時觀測，研究細(xì)胞在分級螺旋結(jié)構(gòu)上的動態(tài)取向、遷移和增殖行為（如圖2），證明了細(xì)胞支架的生物活性和穩(wěn)定性。研究表明，獨特的螺旋結(jié)構(gòu)在大應(yīng)變下的納米纖維重排使細(xì)胞所承受的實際應(yīng)變與外部施加的應(yīng)變相比明顯減小。換句話說，螺旋纖維支架的非仿射變形緩沖效應(yīng)很好地保護(hù)了細(xì)胞拉伸受力和變形。所以，螺旋纖維支架在動態(tài)培養(yǎng)過程中細(xì)胞活性方面明顯優(yōu)于直線性纖維束。 

圖3. 螺旋支架植入大鼠腿部肌肉的組織學(xué)分析

  隨后，研究人員將該螺旋纖維支架植入到小鼠模型并在非固定情況下研究其組織修復(fù)行為研究發(fā)現(xiàn)，隨著植入時間的增加細(xì)胞逐漸向支架內(nèi)部浸潤生長，同時膠原纖維和肌纖維在支架邊界處沉積，說明螺旋纖維支架為細(xì)胞生長和組織再生提供了穩(wěn)定的力學(xué)微環(huán)境，有利于缺損組織愈合。宏觀運動行為顯示，植入可拉伸支架的小鼠即使在組織損傷時也能控制自主運動，滿足促進(jìn)損傷修復(fù)同時防止肌肉萎縮。因此，分層螺旋支架為克服臨床運動組織損傷的“固定-運動”悖論提供了一個理想的平臺（如圖3）。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.09.011