近日，北京航空航天大学赵勇研究团队与麻省理工学院（MIT）郭明（Ming Guo）等受天然生物组织多尺度螺旋纤维结构的启发，制备了具有超高应变和良好生物相容性的多尺度纤维束组织工程材料。相关成果以《Helical nanofiber yarn enabling highly stretchable engineered microtissue》为题，发表于国际著名期刊《美国科学院院刊(PNAS)》 (DOI: 10.1073/pnas.1821617116)。

  两校研究团队通过静电纺丝结合连续加捻技术设计制备了具有多尺度结构的螺旋纤维束，这种螺旋纤维束除具有优异的力学性能外还具有超高可拉伸性，因此，利用该结构特点，研究团队采用生物相容性材料制备了具有细胞动态拉伸稳定性的人造微组织，研究了细胞在多尺度结构螺旋纤维上的动态取向、生长、增殖和分化行为。如图1所示，作者通过机械拉伸和三维实时观测，探究了不同结构纤维束在动态拉伸状态下（包括拉伸和弯曲等）作为细胞支架的生物活性和稳定性。研究表明，由于具有独特的螺旋结构，多尺度纤维束在动态拉伸细胞活性方面明显优于直线性纤维束。

图1. 动态拉伸状态下细胞成活率研究。在拉伸和弯曲状态下螺旋纤维细胞成活率均显著高于直线性纤维。

  作者发现材料表面的多尺度周期性拓扑结构不但可以改变细胞的物理特性，如细胞的成活率、体积、取向、生长脱落，同时还可以通过调控细胞种类及特定转录因子向细胞核的运输，诱导充间质干细胞朝肌肉细胞的定向分化（图2）。作者认为，此类多尺度螺旋纤维材料在未来有望用于组织器官修复替代品，如韧带肌腱组织等。

图2. 不同基底细胞分化行为对比。

  总之，该研究提出了一种普适性的制备多尺度结构螺旋纤维的方法，该方法为制备新型大应变生物材料提供了新思路，通过添加其他活性成分、调控组成和微观结构，所制备的材料有望在健康监测、组织工程支架材料等领域得到进一步的应用。MIT 李一伟博士和北京航空航天大学郭凤云博士为该论文共同第一作者，MIT 郭明（Ming Guo）助理教授和北京航空航天大学赵勇教授为该工作共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学优秀青年基金、中组部万人计划青年拨尖人才的支持。

  论文链接：https://www.pnas.org/content/early/2019/04/23/1821617116