高興團(tuán)隊(duì)提出一種基于雙軸循環(huán)張力的細(xì)菌纖維素水凝膠機(jī)械式改性方法

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)療機(jī)器人與微創(chuàng)手術(shù)器械研究中心高興研究團(tuán)隊(duì)與拉夫堡大學(xué) Vadim V. Silberschmid 研究團(tuán)隊(duì)及華中科技大學(xué)石志軍研究團(tuán)隊(duì)在細(xì)菌纖維素水凝膠機(jī)械改性方面的研究取得進(jìn)展。相應(yīng)成果為“Gao X, S?zümert E, Shi ZJ, et al. Mechanical modification of bacterial cellulose hydrogel under biaxial cyclic tension [J]. Mechanics of Materials, 2020, 142: 103272(雙軸循環(huán)張力下細(xì)菌纖維素水凝膠的機(jī)械改性)”。

細(xì)菌纖維素(BC)水凝膠因其優(yōu)越的生物相容性以及與組織結(jié)構(gòu)的高度相似性，在生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而由于 BC 水凝膠纖維分布過于致密，細(xì)胞只能在表層生長(zhǎng)，大大制約了其在三維組織工程支架中的應(yīng)用?；诖藛栴}，該研究結(jié)合了 BC 水凝膠的雙軸循環(huán)張力與微觀形態(tài)分析，來定性與定量研究該雙軸拉伸載荷對(duì) BC 水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響，提出了一種基于雙軸循環(huán)拉伸的機(jī)械式改性方法，并成功制備出具有均勻多孔結(jié)構(gòu)的 BC 水凝膠，為 BC 水凝膠的三維體外組織培養(yǎng)提供了新方法。

該研究首先使用葡糖木醋桿菌生產(chǎn) BC 水凝膠，并使用定制模具切成十字形標(biāo)本，然后通過特制的雙軸拉伸夾具加載位移控制模式下的雙軸循環(huán)拉伸載荷。通過加載不同速率、循環(huán)次數(shù)、最大位移等載荷條件，獲得不同雙軸循環(huán)拉伸載荷條件下的微結(jié)構(gòu)，再以自開發(fā)的纖維取向圖像處理算法(Fibre Orientation Image Processing)定量分析不同載荷條件下的纖維去向分布，進(jìn)而明確了雙軸拉伸載荷對(duì) BC 水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響，闡明了 BC 纖維網(wǎng)絡(luò)的在雙軸拉伸下的變形和斷裂機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次觀察到平行纖維排列和單層網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的形成，驗(yàn)證了雙軸拉伸機(jī)械改性對(duì) BC 水凝膠重構(gòu)多尺度均勻大孔結(jié)構(gòu)的可行性，證明了通過雙軸拉伸載荷可有效解決 BC 水凝膠表層纖維過于致密的問題。以該研究提出的純機(jī)械水凝膠改性方法來制備多孔支架，具有方便、低成本和易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。

雙軸拉伸載荷條件下 BC 纖維網(wǎng)絡(luò)的變形與斷裂過程