仿生多尺度超弹性纤维韧带肌腱组织修复材料

The increasing ligament/tendon injuries caused by exercise or accident bring huge burden to patients' body and mind as well as community. Given the existing problems in artificial ligament/tendons, such as complicated preparation process and weak mechanical properties as well as unmatched structure and function, bioinspired by the sophisticated structure and function of natural tissue, this project is designed to focus on the new fabrication method of new hierarchical materials used for ligament/tendon graft. i.e., introduce an effective method for preparing and optimizing hierarchical structure, study the relationship between structure, mechanical properties and cell behavior, realize the reliability and stability of cell in tensile conditions, obtain artificial ligament/tendons grafts with integrated hierarchical structure and practical function. This study can not only deepen the understanding of relationship and interaction mechanism between multilevel structure, mechanics and cell behavior, but also provide theoretical basis and technical support for preparing hierarchical artificial tissue, which promise extensive applications in the field of biomedical tissue engineering.

运动或意外事故容易导致韧带肌腱损伤，传统韧带肌腱治疗方法无法解决组织修复和运动机能退化这一矛盾。针对这一问题，本项目拟开展仿生多尺度超弹性纤维材料用于人造韧带组织修复。由于现有人造韧带肌腱组织工程材料制备过程复杂、力学性能较弱和结构功能不匹配等，我们仿照天然生物组织的多尺度结构和功能，制备多级结构的纤维基韧带肌腱材料，研究多级结构、拉伸力与细胞行为的关系，获得结构和功能集成的人造韧带肌腱组织。研究细胞在多级结构材料上的分化及细胞行为变化规律，实现拉伸条件下材料细胞体系的稳定性，获得组织工程人造韧带肌腱组织替代品。该研究既可加深理解多级结构、力学和细胞之间的相互影响机制，对制备多尺度材料提供理论依据与技术支持，又可获得多尺度人造组织，在生物医学组织工程领域具有广泛的应用前景。

近年来，随着生物医学和材料科学的发展，运动组织修复已经步入一个“再生医学”的阶段。组织工程学作为“再生医学”的分支，是通过在体内或体外构建组织器官从而治疗组织缺损或功能性障碍的新型学科。然而，现有的人造韧带跟腱组织工程材料的制备过程复杂、力学性能较弱和结构功能不匹配等。针对这一问题，本项目拟开展仿生多尺度超弹性纤维材料用于人造韧带组织修复。静电纺丝制备的纳米纤维支架最重要的特性是其与细胞外基质的纤维网络结构上高度类似，可以为细胞提供较理想的生长环境。所以本课题的研究内容结合静电纺丝和加捻自组装构建了一种多尺度拉伸可恢复的弹性螺旋纤维束，同时提出动态修复的概念解决功能性组织工程韧带跟腱力学不匹配的问题。基于此，本课题的研究目的就是在深入了解自然运动组织结构和功能后，致力于探究分级螺旋可拉伸支架的组成、结构以及机械性能，并进一步研究不同拉伸状态下支架上细胞的存活微环境、生存状态和运动状态的变化情况等。. 在具体的研究过程中，我们以目标组织应用要求为导向来设计材料的形貌和构型，优化材料的性能。根据人体对韧带肌腱组织材料的生物相容性、抗机械拉伸、外界力下的细胞活性等要求，选取满足条件的材料构筑单元（如PCL、PU、PLGA 和胶原纤维等），设计相应的材料制备路线。进一步，我们通过改变材料的组成和结构，体外培养不同类别的细胞（如成纤维细胞、肌肉细胞等）研究细胞行为变化。探究材料在拉伸不同应变、拉伸循环条件下细胞的黏附、取向、活死、增殖、分化情况。通过模拟，了解材料力学拉伸变形机制，建立外界机械力对细胞行为的理论模型。此外，我们把成功进行体外培养的材料体系植入小鼠中，通过对实际机械运动的设定及模拟，进行实时监测与检验。该研究既可加深理解多级结构、力学和细胞之间的相互影响机制，对制备多尺度材料提供理论依据与技术支持，又可获得多尺度人造组织，在生物医学组织工程领域具有广泛的应用前景。