清華新聞網(wǎng)10月10日電 9月27日，清華大學(xué)航院、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授課題組與中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院全琦博士課題組合作，提出了一類(lèi)可以精準(zhǔn)復(fù)刻生物軟組織非線性力學(xué)響應(yīng)的柔性網(wǎng)狀支架，解決了支架與再生軟組織間力學(xué)不匹配的問(wèn)題，并促進(jìn)了生物軟組織大段缺損的再生。
由于外傷或者病變引起的軟組織損傷會(huì)導(dǎo)致人體運(yùn)動(dòng)功能障礙，嚴(yán)重影響患者健康和生活質(zhì)量。軟組織的大段缺損在沒(méi)有手術(shù)干預(yù)的情況下難以完全修復(fù)，且移植治療的供體有限，并會(huì)出現(xiàn)排異反應(yīng)以及尺寸不匹配等問(wèn)題。生物組織支架雖為軟組織修復(fù)提供了替代治療方案，但由于支架與再生軟組織之間的力學(xué)不匹配導(dǎo)致的再生效果不佳甚至修復(fù)失效一直以來(lái)是阻礙其臨床應(yīng)用的重要問(wèn)題。
基于以上重要問(wèn)題，課題組將前期研制的仿生軟質(zhì)網(wǎng)狀材料作為支架基本結(jié)構(gòu)，采用軟質(zhì)網(wǎng)狀材料的逆向設(shè)計(jì)方法（圖1A-1C），結(jié)合光刻與靜電紡絲制備技術(shù)（圖1D），開(kāi)發(fā)出了能夠精準(zhǔn)復(fù)刻不同生物軟組織非線性力學(xué)響應(yīng)的柔性網(wǎng)狀支架（圖1E為用于坐骨神經(jīng)修復(fù)的支架樣品）。通過(guò)有限元計(jì)算與拉伸實(shí)驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)與制備的用于軟組織再生的柔性網(wǎng)狀支架能夠精準(zhǔn)復(fù)刻真實(shí)坐骨神經(jīng)（圖1F）與肌腱（圖1G）的大變形“J型”應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。
圖1.A-C柔性網(wǎng)狀支架的逆向設(shè)計(jì)思路；D柔性網(wǎng)狀支架的制備流程；E用于坐骨神經(jīng)修復(fù)的柔性網(wǎng)狀支架（左為未覆膜樣品，右為覆膜后樣品），比例尺:800微米；F-G用于坐骨神經(jīng)與肌腱修復(fù)柔性網(wǎng)狀支架的有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及與真實(shí)生物軟組織力學(xué)響應(yīng)的對(duì)比
通過(guò)對(duì)大鼠坐骨神經(jīng)與肌腱損傷模型的修復(fù)結(jié)果顯示，由曲梁微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的柔性網(wǎng)狀支架有效避免了坐骨神經(jīng)再生過(guò)程中由于力學(xué)不匹配導(dǎo)致的支架褶皺、坍塌、脫線等造成修復(fù)失效的問(wèn)題。由于柔性網(wǎng)狀支架有利于坐骨神經(jīng)缺損一側(cè)大腿的彎曲與運(yùn)動(dòng)，修復(fù)過(guò)程中的坐骨神經(jīng)修復(fù)指數(shù)（圖2A）自體移植組接近，且明顯好于臨床上使用的紡絲神經(jīng)導(dǎo)管。在神經(jīng)軸突的再生方面，相比于紡絲神經(jīng)導(dǎo)管，在柔性網(wǎng)狀支架中再生的神經(jīng)軸突質(zhì)量更高，數(shù)量更多（圖2B）。大鼠肌腱損傷模型顯示，紡絲導(dǎo)管支架與肌腱間的應(yīng)力遮蔽阻礙了膠原蛋白纖維的改鍵以及取向性再生，而柔性網(wǎng)狀支架能夠很好地將外界力學(xué)刺激傳遞至細(xì)胞，促進(jìn)膠原蛋白纖維的改鍵與取向性再生（圖2C）。在運(yùn)動(dòng)能力恢復(fù)能力方面，大鼠在植入網(wǎng)狀支架后能夠在短時(shí)間內(nèi)（術(shù)后2周）恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，且運(yùn)動(dòng)功能在中后期逐漸恢復(fù)并接近于健康狀態(tài)（圖2D）。
圖2.柔性網(wǎng)狀支架組與對(duì)照組關(guān)于大鼠損坐骨神經(jīng)與肌腱損傷修復(fù)效果比較。A，大鼠坐骨神經(jīng)缺損術(shù)后運(yùn)動(dòng)能力的恢復(fù)評(píng)價(jià)（3、6、9、12周）；B，術(shù)后大鼠坐骨神經(jīng)軸突再生質(zhì)量評(píng)價(jià)（12周）,比例尺:2微米；C，（i）健康肌腱，（ii）柔性網(wǎng)狀支架中再生肌腱與（iii）傳統(tǒng)紡絲管狀支架中再生肌腱的天狼星紅染色結(jié)果，比例尺:100微米；D，大鼠肌腱缺損術(shù)后運(yùn)動(dòng)能力的恢復(fù)評(píng)價(jià)（2、4、6、8周）
該工作以研究論文的形式于9月27日在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上以《用于軟組織修復(fù)的逆向工程仿生柔性網(wǎng)狀支架》（Inversely engineered biomimetic flexible network scaffolds for soft tissue regeneration）為題發(fā)表，并被《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）評(píng)選為2023年第39期的特色論文（Featured article），同時(shí)受到《科學(xué)》（Science）網(wǎng)站的報(bào)道。
清華大學(xué)張一慧教授和中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院全琦博士為該文章的共同通訊作者。清華大學(xué)航院博士后曹舜澤和中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院魏鈺博士為該文章共同第一作者。清華大學(xué)航院邵玥副教授，航院博士后柏韌恒、趙建中、蘭宇、張斌，2020級(jí)博士生徐世威、2019級(jí)博士生金天棨、2022級(jí)博士生賴(lài)禹辰、2017級(jí)博士生常嘉輝等參與了此項(xiàng)研究。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、新基石科學(xué)基金會(huì)所設(shè)立的科學(xué)探索獎(jiǎng)、清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi8606
供稿：航院
編輯：李華山
審核：郭玲
