具有特定微觀結(jié)構(gòu)的生物材料組裝及工程化

微觀結(jié)構(gòu)的重要意義

為什么我們的眼角膜晶瑩剔透，而緊鄰的鞏膜卻呈不透明的白色？這是因?yàn)?，雖然它們的主要成分都是膠原蛋白，但其內(nèi)部微觀纖維排列方式截然不同，所以角膜高度透明而鞏膜則呈現(xiàn)白色。類(lèi)似地，平行排列的纖維賦予肌腱和肌肉強(qiáng)大的力學(xué)性能，而交錯(cuò)排列的纖維讓皮膚柔軟并富有彈性。由此可見(jiàn)，生物組織的性能很大程度上來(lái)源于其微觀結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)（圖1）。微米乃至納米尺度上的微觀結(jié)構(gòu)排列，往往決定了材料的宏觀性能和功能。

對(duì)于生物材料而言，微觀結(jié)構(gòu)不僅影響材料本身的物理性質(zhì)，還會(huì)通過(guò)提供特殊的表面形貌來(lái)調(diào)控細(xì)胞的行為?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞對(duì)和自身尺寸相近的微觀結(jié)構(gòu)極為敏感，會(huì)因?yàn)橹Ъ懿牧媳砻娴募?xì)微花紋而“改邪歸正”或“奮發(fā)圖強(qiáng)”。比如，相較于筆直的纖維，微微彎曲的纖維可以使細(xì)胞在附著時(shí)拉出“細(xì)胞橋”，從而改變細(xì)胞內(nèi)部受力狀態(tài)，促進(jìn)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞。再比如，在材料表面刻出寬度僅800納米的平行溝槽，就能顯著提高細(xì)胞的遷移速度，加速小鼠骨缺損的愈合；而略寬一些的微米級(jí)溝槽則通過(guò)空間約束作用，能顯著提高神經(jīng)軸突的生長(zhǎng)速度和定向性。由此可見(jiàn)，材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)能在不經(jīng)意間影響細(xì)胞命運(yùn)，而這正是生物材料設(shè)計(jì)中不可忽視的一環(huán)。

那么，我們能否像搭樂(lè)高積木一樣，自主搭建出具有特定微觀結(jié)構(gòu)的生物材料，從而賦予其所需的性能和功能呢？現(xiàn)實(shí)中這絕非易事。傳統(tǒng)的兩大類(lèi)制造策略一“自上而下”和“自下而上”一各有局限，很難精確還原大自然在微觀尺度上的巧奪天工。但也正因如此，新興組裝制造技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)。

微觀結(jié)構(gòu)制造的挑戰(zhàn)

自上而下的方法包括模板鑄造、蝕刻、微流控以及3D打印等，它們擅長(zhǎng)從宏觀形狀入手進(jìn)行加工。以3D打印為例，盡管如今能打印各種生物材料，但受制于打印噴嘴和墨滴尺寸，分辨率通常在幾十微米到數(shù)百微米之間。要在亞微米乃至納米尺度上雕琢內(nèi)部結(jié)構(gòu)，自上而下的方法往往有心無(wú)力。目前這類(lèi)技術(shù)在微納米顆粒等有限場(chǎng)景有一定成功案例，如微流控制造的納米顆粒，但總體而言，要在宏觀結(jié)構(gòu)內(nèi)控制形成更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)依然存在挑戰(zhàn)。

自下而上的方法則從分子或納米級(jí)單元出發(fā)構(gòu)筑材料，比如分子自組裝和化學(xué)合成。某些高分子能夠在特定條件下自發(fā)組裝形成球形、蠕蟲(chóng)狀或囊泡狀的納米結(jié)構(gòu)，兩親分子（親水/親油兩端）也能組裝出膠束、納米帶、網(wǎng)絡(luò)水凝膠等尺寸為幾十到幾百納米的結(jié)構(gòu)。在體外，I型膠原蛋白溶液升溫后甚至?xí)孕薪M裝成纖維網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)細(xì)胞的增殖和信號(hào)傳導(dǎo)。然而，這些自下而上的成果大多停留在納米尺度，并且通常是隨機(jī)取向、無(wú)特定次級(jí)結(jié)構(gòu)的“團(tuán)簇”，很難進(jìn)一步擴(kuò)展到更高層級(jí)的有序結(jié)構(gòu)。例如，膠原在體外自發(fā)形成的纖維只是雜亂無(wú)章地交織成網(wǎng)，遠(yuǎn)不如肌腱、角膜等組織那樣高度定向排列，因此難以賦予材料相應(yīng)的力學(xué)和光學(xué)性能?？偟膩?lái)說(shuō)，無(wú)論自上而下還是自下而上，當(dāng)前技術(shù)在微觀尺度的結(jié)構(gòu)控制方面都捉襟見(jiàn)肘。

面對(duì)這一難題，科學(xué)家開(kāi)始從大自然取經(jīng)，嘗試“動(dòng)態(tài)自組裝”的策略，即在自組裝過(guò)程中加入“外力”，有目的地引導(dǎo)材料從微觀到宏觀，逐步形成有序結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，生命體本身就擅長(zhǎng)借助外力來(lái)塑形。例如，有的細(xì)菌群體通過(guò)高速游動(dòng)攪動(dòng)周?chē)后w，當(dāng)達(dá)到足夠濃度時(shí)便能自發(fā)形成規(guī)則的二維晶體結(jié)構(gòu)。再如，當(dāng)細(xì)胞生存在擁擠的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境中，這里的膠原分子因?yàn)槭艿娇臻g約束，反而更容易整齊地排列成有序纖維。其中，電場(chǎng)是生命體中重要的“隱形之手”—在組織發(fā)育和愈合中，生物電信號(hào)調(diào)控著相關(guān)細(xì)胞行為，體內(nèi)的電場(chǎng)影響著帶電生物大分子的分布，營(yíng)造出有利于細(xì)胞生長(zhǎng)的微環(huán)境。既然如此，研究者不禁想到：能否在體外利用電場(chǎng)這只巧手來(lái)指導(dǎo)生物大分子的組裝，打造出仿生的微觀結(jié)構(gòu)？

電場(chǎng)調(diào)控的動(dòng)態(tài)自組裝技術(shù)

電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的自組裝，通俗地講就是利用電場(chǎng)在分子層面進(jìn)行排兵布陣。其核心方法是通過(guò)電極施加特定的電信號(hào)，使得溶液中帶正電荷的天然大分子（如殼聚糖、膠原蛋白等）被吸引到帶負(fù)極性的陰極上富集，并利用電極表面產(chǎn)生的局部化學(xué)變化誘導(dǎo)它們發(fā)生定向組裝（圖2）。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電極通電時(shí)，陰極表面發(fā)生水解析出OH離子，造成局部 pH 升高，在一定范圍里形成pH梯度。帶正電的生物大分子在電場(chǎng)力作用下朝陰極電泳遷移，當(dāng)它們來(lái)到陰極表面時(shí)，周?chē)膲A性環(huán)境使其電荷中和、溶解度降低，從而在電極上沉積、組裝為水凝膠狀的固體結(jié)構(gòu)。通過(guò)精巧設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度、信號(hào)模式等參數(shù)，該技術(shù)可以像指揮交通一樣控制分子何時(shí)何地“扎堆”，由此打造出所需的微觀結(jié)構(gòu)。

電場(chǎng)調(diào)控自組裝在膠原蛋白材料上展現(xiàn)出令人驚喜的效果。研究人員將酸性溶液中的膠原分子置于恒定電流場(chǎng)中，僅用15分鐘便在陰極表面沉積出一層厚約0.5毫米的膠原水凝膠膜。這層通過(guò)電場(chǎng)“速成”的膠原膜在干燥后依然透明澄澈，如同隱形眼鏡一般。相比之下，傳統(tǒng)方法自發(fā)形成的同等厚度膠原水凝膠由于纖維散射光線(xiàn)，干燥后呈乳白色不透明。經(jīng)顯微分析發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)組裝所得的膠原膜內(nèi)部由直徑僅10納米左右的極細(xì)膠原原纖維緊密排列構(gòu)成，而常規(guī)方法得到的膠原則形成了直徑數(shù)微米的粗大纖維且雜亂分布。纖維越細(xì)越緊密，材料就越透明一這正是電場(chǎng)賦予膠原膜高透光性的秘訣。由于這些納米級(jí)原纖僅通過(guò)氫鍵等弱相互作用粘連，整個(gè)膠原網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)一種“熔融微纖維態(tài)”：質(zhì)地柔軟、高度可塑，受到外力作用時(shí)，會(huì)像橡皮泥一樣在內(nèi)部發(fā)生重排而不會(huì)立刻斷裂。將這種膠原膜定向牽拉后，原本無(wú)序的納米纖維形成了方向一致的平行排列，初步具備了肌腱纖維束的雛形。

場(chǎng)驅(qū)動(dòng)組裝與其他技術(shù)的對(duì)比

電場(chǎng)調(diào)控的動(dòng)態(tài)自組裝之所以備受矚目，正是因?yàn)樗谖⒂^結(jié)構(gòu)精細(xì)控制上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的短板。那么它與其他方法相比有何異同？

一方面，與傳統(tǒng)自上而下工藝相比，電場(chǎng)組裝無(wú)需昂貴的模具或高精度儀器，在納微米尺度下游刃有余。例如，要制造高透明的人造角膜，若用3D打印等方法很難打印出納米纖維的有序網(wǎng)絡(luò)，而電場(chǎng)組裝卻輕松實(shí)現(xiàn)了納米原纖的緊密排列。再比如，多孔/致密一體化的雙面膜用常規(guī)方法可能需要多步涂層或模板鑄造，而電場(chǎng)下通過(guò)調(diào)整沉積參數(shù)即可一步到位。可以說(shuō)，在微結(jié)構(gòu)的分辨率和可塑性上，電場(chǎng)組裝具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

另一方面，相較于靜態(tài)的自下而上組裝，電場(chǎng)等外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的方式引入了持續(xù)的能量供給，能夠打破熱力學(xué)平衡桎梏，引導(dǎo)更大尺度單元的有序排列。傳統(tǒng)自組裝往往局限于納米尺度，而且容易陷入無(wú)序的熱力學(xué)平衡態(tài)，而電場(chǎng)等動(dòng)態(tài)組裝則可將體系推向非平衡，使結(jié)構(gòu)在更大尺度上保持有序。例如，膠原溶液中自行形成的纖維網(wǎng)絡(luò)雜亂無(wú)章，但在電場(chǎng)作用下則能快速生成均勻取向的納米纖維膜，再輔以機(jī)械拉伸和離子熟化等手段，更是將有序結(jié)構(gòu)從納米拓展到了百微米級(jí)別。這在純粹靠分子自身隨機(jī)組裝的情況下是難以想象的成果。

當(dāng)然，電場(chǎng)并非唯一可用的“場(chǎng)”。科學(xué)家已嘗試引入各種“場(chǎng)”調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)仿生組裝。例如，有研究者利用蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝結(jié)合剪切力，構(gòu)筑出了類(lèi)似天然珍珠層的分層結(jié)構(gòu)材料：材料內(nèi)部柔韌如生物筋膜，表面卻硬如瓷釉，中間由梯度過(guò)渡層連接，從而把截然不同的機(jī)械性能融合在一體。還有研究者采用磁場(chǎng)輔助組裝，讓涂有磁性納米顆粒的微米級(jí)氧化鋁薄片在液體中懸浮，通過(guò)磁場(chǎng)控制這些“小板磚”的取向，結(jié)果整個(gè)材料厚度方向上顆粒均呈各向異性排列，得到的復(fù)合材料在不同方向上展現(xiàn)出不同強(qiáng)度和韌性。相比之下，磁場(chǎng)組裝需要材料具備磁性或引入磁性添加物，而電場(chǎng)對(duì)帶電的分子和粒子幾乎來(lái)者不拒，因此應(yīng)用范圍更廣。此外還有利用光、聲、溫度梯度等場(chǎng)調(diào)控的方法，各展所長(zhǎng)?？偟膩?lái)看，這些新興技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，在工藝成熟度和可規(guī)?；矫嫦啾入妶?chǎng)技術(shù)略有不足。

不過(guò)，現(xiàn)在各種微觀結(jié)構(gòu)制造技術(shù)雖欣欣向榮，卻都有各自尚待攻克的難關(guān)。對(duì)于電場(chǎng)調(diào)控組裝而言，目前最大的挑戰(zhàn)之一在于深入理解并優(yōu)化材料微結(jié)構(gòu)對(duì)生物學(xué)效應(yīng)的影響。換言之，可以利用電場(chǎng)搭建各種精巧結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)如何與體內(nèi)細(xì)胞和組織相互作用？怎樣的微觀設(shè)計(jì)才是促進(jìn)再生、避免副作用的最佳方案？這些問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。另一方面，從實(shí)驗(yàn)室走向臨床仍有漫長(zhǎng)的道路要走。目前許多炫目的微結(jié)構(gòu)技術(shù)停留在論文和原型階段，能真正轉(zhuǎn)化為醫(yī)療產(chǎn)品的鳳毛麟角。唯有加強(qiáng)學(xué)科交叉、推進(jìn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化，才能讓這些新技術(shù)從“概念驗(yàn)證”走向“大規(guī)模應(yīng)用”，最終造福大眾健康。

未來(lái)展望

仿生材料的微觀結(jié)構(gòu)控制正進(jìn)入一個(gè)令人激動(dòng)的新時(shí)代。電場(chǎng)調(diào)控的動(dòng)態(tài)自組裝技術(shù)展示了在分子層級(jí)編織生命之美的可能：或許可以為不同組織量身定制“智能”的支架材料，既具備所需的力學(xué)強(qiáng)度，又能向細(xì)胞發(fā)出恰到好處的生長(zhǎng)信號(hào)。未來(lái)，隨著人們對(duì)材料-細(xì)胞相互作用機(jī)制的深入研究，科學(xué)家將有能力設(shè)計(jì)出更精巧的微結(jié)構(gòu)來(lái)精確調(diào)控細(xì)胞行為。在工程化方面，電場(chǎng)等場(chǎng)調(diào)控技術(shù)有望與先進(jìn)的數(shù)字制造、自動(dòng)化流水線(xiàn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療植入物的批量化定制生產(chǎn)。