損傷肌腱修復(fù)新策略！3D打印仿生梯度動(dòng)態(tài)適配壓電支架

肌腱作為連接肌肉與骨骼的關(guān)鍵組織，具有細(xì)胞密度低、血供差的生理特點(diǎn)，損傷后自愈能力極弱，易形成瘢痕組織并伴隨術(shù)后黏連、慢性炎癥及感染等問(wèn)題，最終導(dǎo)致肌腱力學(xué)性能下降、關(guān)節(jié)功能障礙，轉(zhuǎn)變?yōu)殡y治性疾病。目前臨床常用的肌腱修復(fù)手段以手術(shù)縫合為主，輔以傳統(tǒng)支架材料，但這類材料存在明顯短板：一是靜態(tài)性能難以匹配肌腱動(dòng)態(tài)愈合的階段性需求，肌腱在炎癥期、增殖期和重塑期對(duì)力學(xué)支撐與生物信號(hào)調(diào)控的需求差異顯著，傳統(tǒng)材料難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的階段化適配；二是缺乏有效的抗黏連與抗感染設(shè)計(jì)，術(shù)后周圍組織黏連是影響肌腱功能恢復(fù)的主要因素，而臨床常用抗菌手段易破壞局部免疫微環(huán)境；三是外源性電刺激需依賴外部電源，生物電信號(hào)雖為調(diào)控肌腱細(xì)胞遷移與膠原合成的關(guān)鍵因素，但傳統(tǒng)電療設(shè)備的有創(chuàng)性及便攜性限制使其臨床應(yīng)用受阻。

近期，蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院范增杰教授團(tuán)隊(duì)提出“仿生梯度+動(dòng)態(tài)適配”的設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)出一種集自供電壓電刺激、仿生抗黏連與多梯度時(shí)空調(diào)控于一體的3D打印復(fù)合支架，從材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)筑和功能調(diào)控三個(gè)層面系統(tǒng)解決肌腱修復(fù)的核心難題。該支架制備所使用模板由摩方精密microArch?S230（精度：2 μm）3D打印設(shè)備加工而成。相關(guān)研究成果以“A 3D-Printed Piezoelectric Scaffold With Bio-Inspired Gradient and Dynamic Adaptation for Tendon Regeneration”為題發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》上。蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院碩士研究生黃欣悅為第一作者，蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院范增杰教授為獨(dú)立通訊作者。

本研究的核心設(shè)計(jì)亮點(diǎn)在于構(gòu)建了一種兼具荷葉仿生抗黏連結(jié)構(gòu)及力學(xué)、壓電、降解三梯度的復(fù)合支架（圖1）。通過(guò)微納3D打印與疏水改性，支架外層構(gòu)筑超疏水物理屏障以抗成纖維細(xì)胞黏附，內(nèi)層保持親水以促進(jìn)干細(xì)胞再生，實(shí)現(xiàn)“外抗內(nèi)促”的雙向調(diào)控。通過(guò)調(diào)控PHBV濃度，支架在縱向上形成了力學(xué)梯度與壓電梯度，使中層在愈合早期提供強(qiáng)電刺激以抗炎，后期隨內(nèi)外層降解暴露低強(qiáng)度電刺激以引導(dǎo)膠原定向重塑，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)需電源的自供電動(dòng)態(tài)調(diào)控。同時(shí)，支架降解速率遵循由內(nèi)向外遞減的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)支架降解與組織再生的時(shí)空同步。此外，本研究通過(guò)優(yōu)化水/DMF/DCM溶劑體系，解決了疏水PHBV與親水SA/PAM水凝膠的相容性問(wèn)題，為精準(zhǔn)打印均相穩(wěn)定的功能梯度并協(xié)同滿足肌腱動(dòng)態(tài)愈合需求奠定了材料基礎(chǔ)。

圖1.研究示意圖。

使用摩方精密microArch?S230（精度：2 μm）制備荷葉表界面仿生陣列的陽(yáng)模，并通過(guò)PDMS翻模獲得陰模，進(jìn)而制備3D打印復(fù)合支架。掃描電鏡（SEM）與能譜分析（EDS）結(jié)果顯示，支架各層孔徑和元素分布均勻，荷葉仿生微結(jié)構(gòu)成型精準(zhǔn)，為支架的體內(nèi)外性能發(fā)揮提供了可靠的結(jié)構(gòu)保障。同時(shí)，支架的壓電輸出可隨肌腱生理應(yīng)變動(dòng)態(tài)調(diào)控，在拉伸、壓縮和摩擦三種生理運(yùn)動(dòng)模式下均能穩(wěn)定產(chǎn)電；水含量與溶脹率隨PHBV濃度梯度變化，外層低溶脹率保證了抗黏連性能，內(nèi)層高溶脹率有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸；28天降解實(shí)驗(yàn)顯示，支架降解率隨PHBV濃度升高而降低，實(shí)現(xiàn)了從快到慢的梯度降解，精準(zhǔn)匹配肌腱愈合的時(shí)間進(jìn)程（圖2）。

圖2.復(fù)合支架的設(shè)計(jì)、打印。

進(jìn)一步對(duì)支架的理化性能進(jìn)行系統(tǒng)表征（圖3），驗(yàn)證了其作為肌腱修復(fù)材料的可行性。支架的壓電輸出可隨1%-5%的生理應(yīng)變動(dòng)態(tài)調(diào)控，在拉伸、壓縮和摩擦模式下均能穩(wěn)定產(chǎn)電（圖4）；其溶脹率與降解速率隨PHBV濃度梯度呈現(xiàn)由內(nèi)向外遞減的規(guī)律，既保證了外層抗黏連結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，又為內(nèi)層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸和組織長(zhǎng)入提供了充足空間。

圖3.復(fù)合支架的基本性能表征。

圖 4 . 復(fù)合支架的產(chǎn)電性能評(píng)估。

本研究還系統(tǒng)評(píng)估了復(fù)合支架的體外肌腱修復(fù)效果（圖5）。生物相容性評(píng)估顯示，支架浸提液無(wú)細(xì)胞毒性，并能促進(jìn) BMSCs 增殖，溶血率低于 5% ；大鼠皮下植入實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)其可有效調(diào)控炎癥反應(yīng)并引導(dǎo)膠原有序重塑。此外，支架展現(xiàn)出廣譜抗菌活性，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率分別達(dá) 100% 和 99% 以上，對(duì) MRSA 及銅綠假單胞菌亦有顯著抑制效果，其壓電效應(yīng)介導(dǎo)的物理抗菌機(jī)制有效避免了抗生素耐藥風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)胞骨架染色、劃痕實(shí)驗(yàn)與 EdU 檢測(cè)表明，支架的壓電刺激可促進(jìn) BMSCs 的伸長(zhǎng)、遷移與增殖，細(xì)胞鋪展面積與增殖率顯著高于對(duì)照組； qRT-PCR 結(jié)果顯示，支架可顯著上調(diào)肌腱特異性標(biāo)志物（ Tnmd 、 Scx 、 Tnc ）的表達(dá)，同時(shí)下調(diào)促炎因子 TNF-α 、 IL-6 的表達(dá)，上調(diào)抗炎因子 IL-10 的表達(dá)，促進(jìn) RAW264.7 細(xì)胞向 M2 型巨噬細(xì)胞極化，營(yíng)造有利于肌腱再生的抗炎微環(huán)境。

圖 5. 復(fù)合支架的體外肌腱修復(fù)效果評(píng)估。

復(fù)合支架的體內(nèi)肌腱修復(fù)效果在大鼠跟腱3 mm缺損模型中得到了系統(tǒng)驗(yàn)證（圖6）。術(shù)后1周與3周的大體觀察顯示（圖7），復(fù)合支架組（tGS）肌腱周圍無(wú)明顯黏連組織，而對(duì)照組與無(wú)壓電成分支架組（nGS）存在嚴(yán)重的纖維組織黏連；H&E與Masson染色結(jié)果表明，tGS組缺損區(qū)域被新生組織完全填充，膠原纖維呈波浪狀定向排列，與天然肌腱結(jié)構(gòu)高度相似，而對(duì)照組膠原纖維排列紊亂，瘢痕組織大量形成。步態(tài)分析與生物力學(xué)測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了支架的功能修復(fù)效果：術(shù)后3周，tGS組大鼠跟腱的運(yùn)動(dòng)功能指數(shù)（AFI）顯著優(yōu)于其他組，爪印長(zhǎng)度、寬度與正常側(cè)無(wú)顯著差異；生物力學(xué)測(cè)試顯示，tGS組修復(fù)肌腱的彈性模量、最大拉伸應(yīng)力等指標(biāo)與天然肌腱接近，力學(xué)性能得到有效恢復(fù)。免疫組化染色結(jié)果表明（圖8），復(fù)合支架組的組織重塑效果最佳，同時(shí)炎癥水平最低。

圖 6 . 運(yùn)動(dòng) 功能恢復(fù)評(píng)估。

圖 7 . 新生肌腱的大體觀察和組織染色。

圖 8. 新生 肌腱組織的免疫組織化學(xué)染 色。

最后，通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序與機(jī)器學(xué)習(xí)分析揭示了該支架促進(jìn)肌腱再生的深層分子機(jī)制（圖9）。術(shù)后 3 周， tGS 組共鑒定出 1376 個(gè)差異表達(dá)基因，其中機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)、膠原生物合成等再生相關(guān)通路顯著上調(diào)，而炎癥激活與氧化應(yīng)激通路被抑制。在分子層面，支架通過(guò)阻斷 IKKβ/NF-κB 、 p38MAPK 及 JAK-STAT 等關(guān)鍵炎癥信號(hào)通路，有效下調(diào)促炎因子表達(dá)，并誘導(dǎo) M2 型巨噬細(xì)胞極化，極化指數(shù)達(dá) 3.70 倍；其疏水外層則通過(guò)抑制 ERK1/2 信號(hào)通路，從源頭減少成纖維細(xì)胞的異常增殖與遷移，進(jìn)而防止術(shù)后黏連。機(jī)器學(xué)習(xí)分析進(jìn)一步證實(shí)，該支架能夠選擇性 激活所有 M2 亞型并抑制 M1 經(jīng)典亞型，從而構(gòu)建穩(wěn)定的抗炎再生微環(huán)境，最終在基因表達(dá)層面協(xié)同促進(jìn)膠原重塑與肌腱功能恢復(fù)。

圖 9 . 轉(zhuǎn)錄組分析揭示 復(fù)合 支架介導(dǎo)的肌腱再生機(jī)制。

綜上所述，該3D打印復(fù)合支架的核心創(chuàng)新在于將仿生結(jié)構(gòu)與力學(xué)、壓電、降解和潤(rùn)濕性多梯度調(diào)控一體化集成，首次實(shí)現(xiàn)了自供電動(dòng)態(tài)電刺激、階段化力學(xué)支撐、時(shí)空可控降解與雙向生物界面的協(xié)同匹配。以PHBV/SA/PAM為材料體系，該支架通過(guò)精準(zhǔn)3D打印解決了傳統(tǒng)修復(fù)中靜態(tài)性能與動(dòng)態(tài)愈合脫節(jié)、黏連與感染難以兼顧、外源性干預(yù)存在創(chuàng)傷等瓶頸問(wèn)題。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，其可有效調(diào)控炎癥微環(huán)境、抑制術(shù)后黏連并促進(jìn)肌腱特異性再生；轉(zhuǎn)錄組與機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)一步揭示了其通過(guò)多信號(hào)通路協(xié)同調(diào)控再生的分子機(jī)制。該研究為肌腱修復(fù)提供了新范式，也為軟組織再生工程提供了重要的設(shè)計(jì)策略。

https://doi.org/10.1002/adma.202517298

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