海軍軍醫大學《自然·通訊》：仿生Janus水凝膠為感染性跟腱修復提供全新解決方案

跟腱斷裂合并細菌感染是骨科與運動醫學領域的重大挑戰。跟腱本身血供差、易感染，而細菌生物膜和持續的炎癥反應又會進一步破壞膠原纖維、加劇組織粘連，并阻礙再生微環境，導致愈合不良、功能恢復困難甚至再斷裂風險增高。傳統的抗生素治療面臨耐藥性問題，而現有的生物材料往往難以同時滿足力學支撐、防止粘連、高效抗菌和精準免疫調節等多重需求。

針對這一難題，海軍軍醫大學第一附屬醫院方碩副主任醫師、章云童副主任醫師、薛春雨副主任醫師等合作，受天然腱鞘“粘附-潤滑”雙相結構的啟發，成功開發出一種名為HAPP@H-EXO的仿生Janus（雙面）水凝膠。該材料通過其獨特的非對稱粘附結構、動態抗菌機制以及pH響應性釋放的缺氧預處理肌腱干細胞外泌體，實現了對感染性跟腱損傷的時空序貫修復。在動物模型中，該水凝膠能有效清除耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA），減輕早期炎癥，促進肌腱有序再生，并在8周內顯著改善生物力學強度、防止組織粘連、恢復運動功能，展示出一種結合力學適配與免疫調控的治療新策略。相關論文以“Bionic Janus hydrogel drives infected Achilles tendon regeneration via mechano-immune spatiotemporal steering”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊首先成功合成了苯硼酸修飾的透明質酸（HP）和降冰片烯修飾的聚乙烯醇（PVA-NB），并通過巰基-烯點擊化學與動態硼酸酯交聯，構建了具有雙網絡拓撲結構的高強度水凝膠（HAPP）。該水凝膠能在7秒內快速原位凝膠化，具有良好的保水性和適度的溶脹性能，降解周期超過24天，為其作為長效緩釋載體提供了基礎。掃描電鏡顯示其具有均勻互通的三維網絡結構。力學測試表明，該水凝膠具備優異的抗疲勞特性、拉伸與壓縮強度，以及低能量耗散能力，能夠適應肌腱滑動時的高強度動態負荷，并通過其剛性拓撲網絡有效地重新分布應力，避免應力集中于縫合處，從而為術后肌腱提供長期穩定的力學保護。

示意圖1： 仿生Janus水凝膠（HAPP@H-EXO）用于感染性跟腱斷裂時空序貫修復的設計與工作機制示意圖。

圖2： 水凝膠的基本表征和力學性能。（A）凝膠形成過程。（B）凝膠時間。（C）保水性能。（D）供水性能。（E）溶脹率。（F）平衡溶脹率。（G）降解曲線。（H）流變學測試。（I）（J）時間掃描測試。（K）拉伸測試曲線。（L-P）壓縮-卸載測試。（Q）強度、韌性和能量耗散。（R）宏觀關節粘附照片。（S）宏觀力學性能展示。（T）掃描電鏡圖像。

圖3： 水凝膠實現抗疲勞和應力重新分布。（A）100次壓縮加載-卸載測試。（B）100次壓縮加載-卸載測試的時間-應力曲線。（C）靜態壓縮測試的時間-應力曲線。（D）靜態拉伸測試的時間-應力曲線。（E）應力分散示意圖。

為實現類似腱鞘的雙面功能，團隊創新性地利用荷葉模板（LLP）誘導，構建了具有非對稱粘附特性的Janus水凝膠。在肌腱側，水凝膠通過動態硼酸酯鍵和氫鍵與組織形成強效濕態粘附；而在接觸周圍組織的外側，荷葉的超疏水表面誘導聚合物鏈極性基團向內遷移，形成疏水界面，從而極大降低了與周圍組織的粘附力（剪切力降低5.53-6.39倍，接觸角高達89°）。細胞實驗進一步證實，經LLP處理的表面細胞粘附率顯著降低，細胞鋪展面積減小，從物理-細胞-分子層面驗證了其成功誘導不對稱粘附的能力，這為防止術后肌腱與周圍組織粘連奠定了物理屏障基礎。

圖4： Janus水凝膠非對稱粘附結構的構建與表征。（A）構建水凝膠實現非對稱粘附的示意圖。（B）用于測試非對稱粘附的搭接剪切測試縱向剖面示意圖。（C-D）水凝膠搭接剪切測試剖面示意圖、與豬皮粘附的分子細節、粘附強度統計和接觸角測試。OAR：外表面抗粘附重塑組；WR：無重塑組。（E）細胞粘附過程示意圖。（F）細胞粘附于水凝膠不同界面的細節視圖。（G）L929細胞骨架染色。（H）細胞粘附率。（I）細胞鋪展面積。（J）細胞平均周長。（K）Western Blot條帶。

在抗菌方面，HAPP水凝膠整合了苯硼酸基團和陽離子聚合物聚乙烯亞胺（PEI），形成了“捕獲-殺滅”的協同抗菌機制。苯硼酸基團可特異性識別并捕獲細菌細胞壁上的二醇結構，而PEI則通過物理破壞細菌細胞膜發揮殺菌作用。該體系對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌及MRSA均展現出快速且持續的殺滅效果，并且在連續14代的傳代培養中未觀察到細菌對捕獲機制產生耐藥性，證明了其長效抗菌的潛力。

圖5： 水凝膠的時空抗菌效果。（A）細菌捕獲率量化圖。（B）細菌捕獲率統計圖。（C）細菌捕獲機制示意圖。（D）細菌捕獲抗性測試圖。（E）對MRSA，（F）金黃色葡萄球菌和（G）大腸桿菌的殺菌動力學圖。（H）殺菌率統計圖。（I）重復殺菌實驗過程示意圖。（J）宏觀抗菌實物圖。（K）細菌場發射掃描電鏡圖像。（L）長期殺菌統計圖。（M）重復殺菌統計圖。（N）細菌抗性檢測曲線。（O）抗生物膜實驗過程示意圖。（P）結晶紫染色宏觀圖像。（Q）殺菌機制示意圖。（R）抗生物膜測試結果統計圖。

研究的另一核心是負載了缺氧預處理肌腱干細胞外泌體（Hypo-TDSC-Exos）的pH響應控釋系統。缺氧預處理顯著提高了外泌體的產量和生物活性。這些外泌體被成功包封于水凝膠中，并在酸性（pH 5.0）的早期損傷炎癥微環境中快速釋放，在中性（pH 7.4）的后期修復階段緩慢釋放。體外實驗表明，負載Hypo-Exos的水凝膠（HAPP@H-EXO）能有效促進細胞增殖、遷移和血管生成，并顯著清除活性氧（ROS）、維持線粒體膜電位。更重要的是，它能通過抑制NF-κB通路，將巨噬細胞從促炎的M1表型極化為抗炎的M2表型，調節炎癥微環境。

圖6： 外泌體表征及HAPP@H-EXO的體外生物學功能。（A）外泌體透射電鏡圖像。（B）外泌體納米顆粒追蹤分析。（C）CD9、CD63、TSG101和Calnexin表達的Western Blot分析。（D）TDSCs內化外泌體（Wistracker標記）的免疫熒光圖。（E）Wistracker熒光強度量化。（F）HAPP@H-EXO和HAPP@EXO的場發射掃描電鏡圖像。（G）Wistracker標記的外泌體均勻嵌入水凝膠中。（H）外泌體在pH=7.4和（I）pH=5.0條件下的緩釋曲線。（J）L929細胞和（K）TDSCs的細胞增殖率。（L）L929細胞和（M）TDSCs的劃痕實驗圖。（N）L929細胞和（O）TDSCs的遷移能力量化。（P）HUVEC體外成管圖像。（Q）HUVEC成管節點數與（R）總分支長度統計。（S）TDSCs中COL1的免疫熒光圖像及（T）熒光強度量化。

圖7： HAPP@H-EXO清除ROS并調節免疫反應。（A）TDSCs的ROS熒光染色圖及（C）熒光強度量化。（B）TDSCs線粒體膜電位熒光染色圖及（D）熒光強度量化。（E）RAW264.7細胞的iNOS免疫熒光圖像及（G）熒光強度量化。（F）RAW264.7細胞的CD206免疫熒光圖像及（H）熒光強度量化。（I）IL-6和（J）IL-10的ELISA結果統計圖。（K）mRNA-seq數據的火山圖。（L）差異表達基因熱圖。（M）GO富集分析。（N）KEGG富集分析。

在構建的大鼠跟腱斷裂合并MRSA感染模型中，HAPP@H-EXO展現了卓越的體內治療效果。它能在早期（第3天和1周）有效清除細菌，減輕氧化應激，并調節巨噬細胞極化，降低促炎因子TNF-α，提高抗炎因子TGF-β和IL-10的水平。組織學分析顯示，治療組促進了膠原纖維的有序沉積和排列（I/III型膠原比例顯著提高），增強了血管生成（CD31表達上調），并促進了肌腱細胞標志物（TNMD和SCX）的表達。生物力學測試和超聲檢查證實，治療后的跟腱斷裂負荷、楊氏模量更接近正常肌腱，且有效防止了組織粘連。步態分析和曠場實驗進一步表明，動物的運動功能得到了顯著恢復。這些效果在大動物（兔）模型中同樣得到了驗證。

圖8： HAPP@H-EXO的體內抗菌及抗炎效果。（A）動物實驗示意圖。（B）HAPP@H-EXO體內抗菌、抗氧化應激及抗炎治療作用示意圖。（C）體內抗菌效果示意圖。（D）線粒體透射電鏡圖像。（E）ROS、CD206、CD86、TGF-β和TNF-α的免疫熒光染色圖。（F）ROS水平的定量熒光分析。（G）CD86表達的定量熒光分析。（H）CD206表達的定量熒光分析。（I）M2/M1巨噬細胞比值定量分析。（J）TNF-α熒光定量。（K）TGF-β熒光定量。

圖9： HAPP@H-EXO促進膠原序貫重塑、血管化、肌腱再生及應力重新分布。（A）HAPP@H-EXO促進膠原沉積、血管化和肌腱細胞再生機制示意圖。（B）第2周和6周樣本及染色示意圖。A：跟腱；T：脛骨；C：跟骨；M：肌肉。（C）第2周和（E）第6周的H&E染色示意圖及放大圖。（D）第2周和（F）第6周的馬松染色圖、放大圖及基于馬松染色的膠原取向分布分析。（G）膠原取向分布尺度。（P）膠原體積分數定量分析。（H）第6周天狼星紅染色圖及（Q）I/III型膠原比例定量分析。（I）第2周CD31免疫熒光圖及（R）染色定量分析。（J）第2周和（K）第6周的SCX免疫熒光圖及（S）定量分析。（L）第2周和（M）第6周的TNMD免疫熒光圖及（T）定量分析。（N）第2周YAP免疫熒光圖。（O）應力均勻化及抗粘連示意圖。

圖10： HAPP@H-EXO改善術后組織粘連、運動功能及機械性能。（A）術后8周取樣宏觀實物圖。（B）肌腱透射電鏡圖像及（C）膠原纖維直徑統計圖。（D）超聲檢測結果。（E）低回聲區面積定量及（F）跟腱前后徑長度定量。（G）術后粘連評分。（H）步態測試示意圖及測試結果。（I）平均接觸面積統計圖。（J）最大接觸面積統計圖。（K）平均接觸強度統計圖。（L）最大接觸強度統計圖。（M）跟腱功能指數統計。（N）曠場測試結果及（O）總運動距離統計圖。（P）跟腱生物力學測試示意圖。（Q）最大斷裂負荷及（R）楊氏模量統計圖。

綜上所述，這項研究通過“結構仿生-功能耦合”的設計理念，成功創建了一種集力學適配、抗粘連、抗菌與免疫調節于一體的多功能Janus水凝膠系統。HAPP@H-EXO為解決感染性承重軟組織再生這一臨床難題提供了兼具創新性與轉化潛力的材料學方案。未來，研究團隊將深入探索水凝膠應力重分布的原位表征機制、荷葉誘導界面的仿生模具制備、外泌體釋放動力學的精準調控以及缺氧外泌體中關鍵活性分子的鑒定，以推動該策略向臨床應用邁進。