AFM:从天然木材到人工骨

天然骨具有非常精巧的各向异性结构。在纳米尺度下,羟基磷灰石晶体在胶原蛋白纤维束间隙有序分布,经层层组装得到多级有机/无机复合结构。这种精细而有序的定向结构赋予了骨组织优异的力学性能(如高的强度、刚度和断裂韧性),使其能够承受复杂的载荷。如何在人工材料中实现这种复杂的结构,对设计与天然骨力学性能相匹配的骨修复支架及改善支架的骨整合性有重要的科学意义。

与天然骨相似,木材亦是一种天然的各向异性多级组装材料。定向排列的纤维素纤维充当骨架,木质素与半纤维素充当粘合剂,共同构成了木材“钢筋混凝土”式的微观结构,使木材具备良好的力学性能。最近,南方科技大学任富增课题组与合作者利用木材各向异性的木质纤维素为骨架,通过对天然骨组织的结构及成分仿生,研发了一种高取向度、纳米羟基磷灰石矿化的海藻酸盐水凝胶/木材复合材料。该仿生复合材料表现出超强力学性能、优异的生物相容性和骨传导性,能有效促进骨整合。相关结果发表在Advanced Functional Materials上。

作者们首先对天然木材进行脱木质素处理得到多孔的木质纤维素模板,通过真空浸润法将海藻酸盐溶液填充到模板中,交联后原位矿化沉积羟基磷灰石纳米颗粒,得到生物矿化的木材水凝胶复合材料。研究结果表明,该复合材料沿纤维取向的拉伸强度高达67.8 MPa,弹性模量达670 MPa,比传统的海藻酸盐水凝胶高出了3个数量级,亦超过了目前大多数的强韧水凝胶。在微观结构上,羟基磷灰石纳米纳米晶有序沉积在纤维骨架间隙,模拟了骨组织中胶原纤维和羟基磷灰石晶粒的有机/无机复合结构,成功诱导细胞定向粘附,促进细胞向成骨分化。动物植入实验结果表明,这种复合支架能显著加速支架界面处的新骨生成,并诱导新骨向支架内生长,从而提高了支架整体的骨整合性。研究者相信,由仿生出发,通过模板法制备各向异性复合材料的策略在骨修复材料的开发设计中有广泛的应用前景。

南方科技大学材料科学与工程系、前沿与交叉科学研究院研究助理教授王晓飞和材料科学与工程系研究助理教授方驹为该论文的共同第一作者,任富增副教授为通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划(2016YFB0700803)和深圳市基础研究项目( JCYJ20190809140401658)的支持。

期刊介绍:

Bioinspired Highly Anisotropic, Ultrastrong and Stiff, and Osteoconductive Mineralized Wood Hydrogel Composites for Bone Repair

Xiaofei Wang, Ju Fang, Weiwei Zhu, Chuanxin Zhong, Dongdong Ye, Mingyu Zhu, Xiong Lu, Yusheng Zhao, Fuzeng Ren

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202010068