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  取向結構在血管、肌肉組織和骨骼等生物組織和器官中具有獨特而重要的功能，促進了營養物質的轉運、細胞的遷移與排列。例如，在骨骼中存在的從微觀到宏觀的取向結構賦予了其獨特的力學支持功能，它的各向異性特征和多孔結構賦予了骨優異的細胞增殖、定向遷移和原位血管化能力。而在自然界中，也存在許多具有類似獨特結構的天然材料。木材就是一類典型的具備各向異性和多級結構的天然材料，它具有沿排列方向運輸液體、在互連的介孔結構中進行物質交換的特性。木質材料因其力學性能和物質交換能力而得到了廣泛的研究，但在生物領域的應用仍然具有挑戰性。

  基于木材天然整齊排列的多孔纖維結構，該研究團隊制備了取向結構復合材料。木材的天然結構和性能在制備過程中得到了完整的保留，表現出極佳的各向異性力學性能（縱向420MPa/徑向20MPa）。此外，它還具有定向液體傳輸功能，以促進各種細胞的均勻播種，并且可以有效地誘導細胞遷移（約80%遷移率）和取向。而復合材料中的羥基磷灰石（HAp）與聚己內酯（PCL）的協同作用在很大程度上促進了細胞增殖和分化，為組織工程再生材料的研究提供了一種有前景的材料。

圖1.（a）天然木材結構；（b）實驗流程示意圖：以天然木材為原料，通過去除木質素（DW）、原位合成HAp（WH）和真空PCL浸潤（WHP）制備復合支架材料；（c）復合支架誘導的細胞遷移和取向示意圖。

  天然木材具有獨特的三維通道結構，具有典型的各向異性特征。在整個制造過程中，通過控制PCL濃度和HAp原位合成時間，使內部通道孔徑保持在合適的范圍，并且其結構得到了最大程度的保留。

圖2. （a）支架的方向定義；（b）天然木材的三維重建模型；（c）天然木材和復合支架材料的照片；（d）DW支架（e）WH支架和（f）WHP支架沿徑向和縱向的SEM圖像。

  在對天然木材進行脫木素處理后，纖維素纖維之間的束縛被釋放，其孔隙率得到提高，增加了復合改性的空間。然后，原位合成的HAp在纖維表面生長，提高了支架的生物活性，并且最后在纖維表面包裹的PCL協同HAp成為了細胞黏附增殖的良好微環境。

圖3.不同支架不同方向的（a）壓縮力學性能曲線；（b） 壓縮模量；（c）（d） 循環壓縮曲線；（e）（f）遞進壓縮曲線。

  通過復合HAp和PCL，復合支架材料的力學性能和剪切性能得到提高，實驗組支架的壓縮模量可達420MPa，并且仍然保持著高度各向異性的特征。同時研究了各向異性對結構穩定性的影響，徑向和縱向支架均表現出優異的力學緩沖性能。徑向支架在相對較小的應變范圍內具有極高的能量吸收能力，這意味著其具有較高抗沖擊的結構穩定性。另一方面，縱向支架能夠在較大的應變范圍內吸收能量，產生了獨特的力學緩沖作用。二者均反映了支架材料結構的高度穩定性。

圖3. （a）control支架和（b）WHP支架內MC3T3-E1（藍色）細胞遷移情況；WHP支架中MC3T3-E1（藍色）細胞與（c）HUVEC（紅色）或（d）L929（紅色）細胞共遷移情況。細胞培養皿中（e）MC3T3-E1細胞與HUVEC和（f）MC3T3-E1細胞與L929細胞共遷移前后的細胞量

  基于木材內部高度取向排列的纖維素孔道結構，制備了一種可誘導細胞遷移的生物相容性支架。天然木材的各向異性特性賦予了復合支架材料獨特的靜態力學性能和動態力學性能，而復合的HAp與PCL協同促進了細胞增殖和成骨分化。此外，由取向孔道結構提供的細胞微環境可以在一定程度上引導細胞的遷移播種和取向生長，為新型生物復合支架的研究提供新的思路。

  相關工作近期發表于ACS Applied Material & Interfaces，Wood-Derived Hybrid Scaffold with Highly Anisotropic Features on Mechanics and Liquid Transport toward Cell Migration and Alignment，文章的第一作者為四川大學高分子科學與工程學院研究生劉晉明，通訊作者為楚合濤副研究員和李建樹教授。

  論文連接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c00646