微观结构的重要意义

为什么我们的眼角膜晶莹剔透，而紧邻的巩膜却呈不透明的白色？这是因为，虽然它们的主要成分都是胶原蛋白，但其内部微观纤维排列方式截然不同，所以角膜高度透明而巩膜则呈现白色。类似地，平行排列的纤维赋予肌腱和肌肉强大的力学性能，而交错排列的纤维让皮肤柔软并富有弹性。由此可见，生物组织的性能很大程度上来源于其微观结构的精巧设计（图1）。微米乃至纳米尺度上的微观结构排列，往往决定了材料的宏观性能和功能。

对于生物材料而言，微观结构不仅影响材料本身的物理性质，还会通过提供特殊的表面形貌来调控细胞的行为。科学家发现，细胞对和自身尺寸相近的微观结构极为敏感，会因为支架材料表面的细微花纹而“改邪归正”或“奋发图强”。比如，相较于笔直的纤维，微微弯曲的纤维可以使细胞在附着时拉出“细胞桥”，从而改变细胞内部受力状态，促进干细胞分化为成骨细胞。再比如，在材料表面刻出宽度仅800纳米的平行沟槽，就能显著提高细胞的迁移速度，加速小鼠骨缺损的愈合；而略宽一些的微米级沟槽则通过空间约束作用，能显著提高神经轴突的生长速度和定向性。由此可见，材料的微观形貌和结构能在不经意间影响细胞命运，而这正是生物材料设计中不可忽视的一环。

那么，我们能否像搭乐高积木一样，自主搭建出具有特定微观结构的生物材料，从而赋予其所需的性能和功能呢？……