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  肌腱損傷是臨床常見且極具挑戰性的組織損傷問題，現有修復手段難以恢復肌腱天然的層級結構和生物力學性能，且易引發術后黏連、炎癥、感染等并發癥。

  近日，蘭州大學范增杰教授團隊開發出一種3D打印具有仿生梯度與動態適應性的壓電水凝膠支架。該支架融合荷葉仿生抗黏連結構與力學、壓電、降解三梯度設計，以PHBV/SA/PAM為核心材料體系，通過微納光固化與墨水直寫式3D打印技術精密構筑，實現了自供電電刺激、階段化力學支撐、時空可控降解的協同功能。該支架可有效下調促炎因子、促進M2型巨噬細胞極化、抑制細菌增殖，同時顯著提升I型膠原沉積與纖維定向排列，在大鼠急性跟腱損傷模型中實現了肌腱的功能化再生修復。轉錄組與機器學習分析揭示，支架通過調控p38MAPK、IKKβ/NF-κB等多條信號通路，實現抗炎、抗黏連、促膠原重塑的多效調控，為肌腱損傷的臨床治療提供了全新的仿生材料策略。

  2026年2月9日，相關工作以A 3D-Printed Piezoelectric Scaffold With Bio-Inspired Gradient and Dynamic Adaptation for Tendon Regeneration為題發表在 《Advanced Materials》上。

圖1. 自適應梯度支架（GS）的設計與制造

一、臨床痛點：肌腱損傷修復的多重難題亟待突破

  肌腱作為連接肌肉與骨骼的關鍵組織，具有低細胞密度、血供差的生理特點，損傷后自愈能力極弱，易形成瘢痕組織并伴隨術后黏連、慢性炎癥、感染等問題，最終導致肌腱力學性能下降、關節功能障礙，成為臨床骨科與運動醫學的難治性疾病。

  目前臨床常用的肌腱修復手段以手術縫合為主，輔以傳統支架材料，但這類材料存在明顯短板：一是靜態性能無法匹配肌腱動態愈合過程，肌腱愈合的炎癥期、增殖期、重塑期對力學支撐、生物信號調控的需求差異顯著，傳統材料難以實現階段化適配；二是缺乏有效的抗黏連與抗感染設計，術后周圍組織黏連是導致肌腱功能恢復不佳的主要原因，而臨床抗菌手段易破壞局部免疫微環境；三是外源性電刺激需依賴外部電源，生物電信號是調控肌腱細胞遷移、膠原合成的關鍵因素，但傳統電療設備的有創性與便攜性問題限制了臨床應用。

  針對上述痛點，蘭州大學范增杰教授團隊提出“仿生梯度+動態適配”的設計理念，開發出集自供電壓電刺激、仿生抗黏連、多梯度時空調控于一體的3D打印支架，從材料設計、結構構筑、功能調控三個層面解決肌腱修復的核心難題。

二、核心創新：四重仿生設計，打造肌腱修復的“智能適配支架”

  團隊的核心設計亮點在于將荷葉仿生抗黏連結構與力學、壓電、降解三梯度相結合，同時實現親水-疏水界面梯度調控，四重設計相互協同，讓支架能夠精準匹配肌腱的天然生理特征與動態愈合需求，具體設計如下：

  1. 荷葉仿生抗黏連結構：借鑒荷葉超疏水、自清潔的微納層級結構，通過微納光固化3D打印技術在支架外層構筑錐形針狀微結構（高度100-120 μm，基底直徑100 μm），并經三氯十八烷基硅烷疏水改性，使支架外層接觸角達126.3°，形成物理屏障，有效阻斷成纖維細胞與外周組織的黏附，從根源上解決術后黏連問題；而支架內層保持親水特性（接觸角23.9°），為內源性干細胞的黏附、增殖提供良好微環境，實現“外抗黏連、內促再生”的雙向調控。

  2. 力學梯度設計：模仿天然肌腱的力學梯度特征，通過調控壓電材料PHBV的濃度，使支架中層具有最高的力學強度（拉伸應力達2 MPa，壓縮應力6 MPa），有效分散張力、減少應力集中，避免支架在肌腱運動過程中斷裂。內層與外層力學性能逐級遞減，匹配損傷肌腱的力學修復規律，同時支架具備優異的柔韌性與抗彎曲能力，可支撐1.0kg載荷，滿足體內動態力學環境的需求。

  3. 壓電梯度設計：以生物相容性與可降解性優異的PHBV為壓電核心材料，通過濃度梯度調控實現支架壓電輸出的階段化適配。愈合早期，支架中層較高濃度PHBV產生強電刺激，主要發揮抗炎、調控免疫微環境的作用；愈合后期，隨著內、中層降解，外層低強度電刺激暴露，精準調控膠原重塑與纖維定向排列。該支架無需外部電源，可通過肌腱的拉伸、壓縮、摩擦等生理運動實現自供電動態壓電刺激，完美模擬天然肌腱的生物電微環境。

  4. 降解梯度設計：遵循肌腱“由內向外”的天然愈合模式，支架內層PHBV濃度低、降解速度快，為新生肌腱組織的長入創造空間；外層PHBV濃度高、降解緩慢，長期提供力學支撐與抗黏連屏障；中層降解速率居中，實現支架降解與組織再生的時空同步，避免支架殘留或過早失去支撐作用。

  同時，團隊通過優化溶劑體系（水：DMF:DCM=6:1:3），解決了疏水PHBV與親水SA/PAM水凝膠的相容性難題，成功制備出均相穩定的壓電水凝膠體系，為3D打印的精準構筑奠定了材料基礎。

三、精密構筑：多技術融合3D打印，實現支架的結構與性能精準調控

  支架的成功制備依賴于微納光固化 3D 打印與墨水直寫3D 打印的技術融合，團隊通過一系列工藝優化，實現了支架微納結構、梯度分布與成型精度的精準控制：

  1. 模具制備：利用3ds Max設計5 cm×5 cm仿生陣列，通過微納3D打印制備樹脂陽模，再經PDMS翻制陰模，實現荷葉仿生微結構的規模化、可重復制備；

  2. 墨水優化：確定SA、AM、PHBV的最優濃度（6%、12%、2%-8%），所制備的PHn水凝膠具有良好的剪切稀化特性，可順利通過3D打印噴嘴，且儲能模量始終大于損耗模量，保證打印過程中支架的結構穩定性；

  3. 梯度成型：采用墨水直寫3D打印技術，通過逐層調控PHBV濃度（內層2%、中層4%、外層8%），實現力學、壓電、降解三梯度的一體化構筑，層間結合緊密，可適應體內復雜的力學載荷；

  4. 后處理改性：打印后經Cacl?交聯提升力學穩定性，外層經OTS疏水改性實現超疏水特性，最終獲得結構精密、性能可控的梯度壓電支架（tGS）。

  掃描電鏡（SEM）與能譜分析（EDS）結果顯示，支架各層孔徑均勻，元素分布均一，荷葉仿生微結構成型精準，為支架的體內外性能發揮提供了結構保障。

圖2. GS的設計與3D打印制備

四、性能表征：支架兼具優異的理化性能、生物相容性與抗菌活性

  團隊對支架的理化性能、生物相容性、抗菌活性進行了系統表征，驗證了其作為肌腱修復材料的可行性：

  1. 理化性能優異：支架的壓電輸出可隨肌腱生理應變（1%-5%）動態調控，PH4層輸出電壓最高，且在拉伸、壓縮、摩擦三種生理運動模式下均能穩定產電；水含量、溶脹率隨 PHBV 濃度梯度變化，外層低溶脹率保證抗黏連性能，內層高溶脹率利于營養物質運輸；28天降解實驗顯示，支架降解率隨PHBV濃度升高而降低，實現了從快到慢的梯度降解，匹配肌腱愈合的時間進程。

  2. 生物相容性良好：活/死染色與MTT實驗表明，支架浸提液對骨髓間充質干細胞（BMSCs）無細胞毒性，且能促進細胞增殖；溶血率均低于5%，符合臨床應用標準；大鼠皮下植入實驗顯示，支架可有效調控炎癥反應，術后3周炎癥細胞浸潤顯著減少，膠原纖維排列規則，表現出優異的體內生物相容性。

  3. 廣譜抗菌活性：平板計數法結果顯示，支架的抗菌活性隨PHBV濃度升高而增強，PH8 層對大腸桿菌的抑制率達100%，對金黃色葡萄球菌抑制率超99%，對臨床難治的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）與銅綠假單胞菌（PA）也具有顯著抑制效果（抑制率分別約75%、84%）。其抗菌機制主要為壓電效應產生的電子與活性氧（ROS）破壞細菌細胞膜，實現無抗生素的物理抗菌，避免細菌耐藥性問題。

圖3. PHn的制備及表征

圖4.PHn與GS的壓電性能表征

圖5.生物學性能及抗菌性能表征

五、體內外驗證：多效調控實現肌腱的功能化再生修復

  團隊通過體外細胞實驗與大鼠跟腱損傷模型體內實驗，全面驗證了支架的肌腱修復效果，結果顯示該支架可實現抗炎、抗黏連、促再生、恢復力學功能的多效調控：

  1. 體外細胞實驗：激活肌腱再生相關通路，抑制炎癥反應：細胞骨架染色、劃痕實驗與EdU檢測表明，支架的壓電刺激可促進BMSCs的伸長、遷移與增殖，細胞鋪展面積與增殖率顯著高于對照組；qRT-PCR結果顯示，支架可顯著上調肌腱特異性標志物（Tnmd、Scx、Tnc）的表達，同時下調促炎因子TNF-α、IL-6的表達，上調抗炎因子IL-10的表達，促進RAW264.7細胞向M2型巨噬細胞極化，營造有利于肌腱再生的抗炎微環境。

  2. 體內動物實驗：實現肌腱結構與功能的雙重恢復：大鼠跟腱3mm缺損模型實驗中，術后1周與3周的大體觀察顯示，tGS組肌腱周圍無明顯黏連組織，而對照組與無壓電成分支架組（nGS）存在嚴重的纖維組織黏連；H&E與Masson染色結果表明，tGS組缺損區域被新生組織完全填充，膠原纖維呈波浪狀定向排列，與天然肌腱結構高度相似，而對照組膠原纖維排列紊亂，瘢痕組織大量形成。

  步態分析與生物力學測試進一步驗證了支架的功能修復效果：術后3周，tGS組大鼠跟腱的運動功能指數（AFI）顯著優于其他組，爪印長度、寬度與正常側無顯著差異；生物力學測試顯示，tGS組修復肌腱的彈性模量、最大拉伸應力等指標與天然肌腱接近，力學性能得到有效恢復。

圖6. 體內功能恢復評估

圖7.GS修復肌腱的體內評估

六、機制解析：轉錄組+機器學習，揭示多通路協同調控的分子機制

  為闡明支架促進肌腱再生的深層分子機制，團隊對術后3周的再生肌腱組織進行了轉錄組測序，并結合機器學習算法分析炎癥特征，結果表明：

  1. 與對照組相比，tGS組有1376個差異表達基因，其中674個上調、702個下調，上調基因主要富集于機械轉導、鈣跨膜運輸、膠原生物合成、組織重塑等通路，下調基因主要富集于炎癥激活、氧化應激、成纖維細胞遷移等通路；

  2. 支架通過顯著抑制Ikkβ/NF-κB、p38MAPK、JAK-STAT等炎癥相關信號通路，下調促炎因子表達，同時促進M2型巨噬細胞極化，極化指數達3.70倍，實現高效抗炎；

  3. 支架的疏水外層可通過抑制ERK1/2信號通路，減少成纖維細胞的異常增殖與遷移，從分子層面抑制術后黏連；

  4. 機器學習分析進一步證實，tGS組可顯著激活M2型巨噬細胞的所有亞型，抑制M1型巨噬細胞的經典亞型，營造穩定的抗炎再生微環境，同時上調肌腱再生相關基因，促進膠原重塑與肌腱功能恢復。

圖8.術后1周和3周修復肌腱組織的免疫組織化學染色結果

圖9.轉錄組分析揭示梯度支架介導的肌腱再生機制

  蘭州大學范增杰教授團隊開發的3D打印具有仿生梯度與動態適應性的壓電支架，是肌腱組織工程領域的一項重要創新成果。該研究的核心突破在于將仿生結構設計與多梯度性能調控相結合，首次實現了自供電壓電刺激、階段化力學支撐、時空可控降解、親水-疏水雙向界面的一體化集成，解決了傳統肌腱修復材料靜態性能與動態愈合不匹配、術后黏連與感染難以兼顧、外源性電刺激有創性等關鍵問題。

  該支架以PHBV/SA/PAM為核心材料，通過3D打印技術實現了結構與性能的精準調控，體內外實驗證實其可有效調控炎癥微環境、抑制術后黏連、促進肌腱特異性再生與力學功能恢復，轉錄組與機器學習分析進一步揭示了其多信號通路協同調控的分子機制。該研究為肌腱損傷的臨床治療提供了全新的仿生材料策略，也為其他軟組織的再生修復提供了重要的設計思路。

  該研究得到了國家自然科學基金、甘肅省聯合研究基金、甘肅省自然科學基金等項目的資助，第一作者為蘭州大學口腔醫學院2022級碩士研究生黃欣悅，通訊作者為范增杰教授。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202517298