中國科學院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)療機器人與微創(chuàng)手術(shù)器械研究中心高興研究團隊與拉夫堡大學 Vadim V. Silberschmid 研究團隊及華中科技大學石志軍研究團隊在細菌纖維素水凝膠機械改性方面的研究取得進展。相應成果為“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)張力下細菌纖維素水凝膠的機械改性)”。

細菌纖維素(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)學工程等領域具有廣闊的應用前景。然而由于 BC 水凝膠纖維分布過于致密，細胞只能在表層生長，大大制約了其在三維組織工程支架中的應用?；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 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，進而明確了雙軸拉伸載荷對 BC 水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響，闡明了 BC 纖維網(wǎng)絡的在雙軸拉伸下的變形和斷裂機理。

實驗結(jié)果首次觀察到平行纖維排列和單層網(wǎng)狀網(wǎng)絡的形成，驗證了雙軸拉伸機械改性對 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、低成本和易于實施的優(yōu)點。

雙軸拉伸載荷條件下 BC 纖維網(wǎng)絡的變形與斷裂過程