Bioactive Materials
高度生物适应性水凝胶在肌腱-骨界面再生中的研究

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本文系统综述了肌腱-骨界面（TBI）的生理结构与修复过程，并提出基于水凝胶的生物仿生策略以促进TBI再生。通过模拟TBI的梯度结构、细胞分布和生物活性因子微环境，为水凝胶材料设计提供了多层次指导，具有重要的转化医学价值。

 

文献概述

本文《Highly bio-adapted hydrogels for tendon-bone interface regeneration: Natural healing inspiration, design strategies, and biomedical potential》，发表于《Bioactive Materials》杂志，回顾并总结了肌腱-骨界面的生理结构特征、修复过程及其面临的挑战，重点分析了水凝胶在该领域的应用潜力。文章强调，TBI具有从肌腱到骨的四层渐变结构，其细胞类型和生物活性因子呈现空间梯度分布，而传统修复手段难以重建这种复杂的生物力学和生物学微环境，导致术后再撕裂率居高不下。水凝胶因其良好的生物相容性、可调控的力学性能及生物活性因子缓释能力，成为仿生修复TBI的关键材料。

背景知识

肌腱-骨界面（TBI）是连接肌腱与骨组织的关键结构，其生理功能包括力传递、应力缓冲及疲劳耐受。TBI损伤（如肩袖撕裂、前交叉韧带断裂）在运动医学中常见，且随着人口老龄化，其发病率持续上升。当前手术修复虽能恢复机械连续性，但难以重建天然梯度微环境，导致再撕裂率高达20%–94%。传统自体或异体移植物受限于供区匮乏和免疫排斥，富血小板血浆（PRP）疗效尚不明确。因此，组织工程与再生医学成为突破TBI修复瓶颈的关键方向。水凝胶因其三维结构、可功能化修饰、可控降解性及良好的生物活性因子递送能力，被广泛研究用于模拟TBI的多层级结构与功能。文章从TBI的生理结构、修复过程、动物模型、水凝胶物理化学仿生设计、细胞因子梯度构建及动态响应机制等多方面进行系统综述，为开发新一代仿生水凝胶提供了理论框架和技术路径。

 

构建基因编辑动物模型以研究肌腱-骨界面修复机制，提供从模型构建到表型分析的全流程服务。

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研究方法与实验

文章通过系统性文献回顾，检索了截至2025年10月4日PubMed、Google Scholar、EMBASE、Medline、Scopus、ResearchGate及Web of Science数据库中的相关研究，重点关注近20年内的发展。关键词包括“tendon-bone”、“healing”、“interface”、“hydrogel”、“stem cells”、“exosome”等，结合布尔运算符进行检索优化。研究内容涵盖TBI的生理结构、修复阶段（炎症期、增殖期、重塑期）、动物模型（小鼠、兔、猪、羊）的优劣比较、水凝胶的力学性能与梯度结构设计、生物活性因子梯度分布、干细胞递送及动态响应机制。

关键结论与观点

• 肌腱-骨界面（TBI）具有四层渐变结构：肌腱区、非矿化纤维软骨区、矿化纤维软骨区和骨区，其胶原类型、细胞组成及血管化程度呈现显著梯度差异。
• 在TBI修复过程中，炎症期（0–7天）释放TNF-α、IL-1β等促炎因子，M1巨噬细胞主导早期炎症；增殖期（5–14天）招募MSC、TDSC、ADSC等干细胞，促进胶原合成；重塑期（14天后）以MMP/TIMP平衡调控为主，影响胶原重塑与Sharpey纤维再生。
• 水凝胶在TBI修复中的核心优势包括：1）仿生梯度结构支持细胞定向迁移；2）调控M1→M2巨噬极化，抑制炎症；3）可控释放生长因子（如TGF-β、BMP-2、IL-6）；4）具备智能响应能力（如pH、酶响应），实现按需释放。
• 当前水凝胶仿生设计策略分为三类：1）静态结构仿生（如梯度模量、孔隙率）；2）生物梯度仿生（如细胞与因子梯度递送）；3）动态响应仿生（如炎症响应、机械刺激响应）。
• 水凝胶的仿生结构设计需匹配TBI的力学特性，包括肌腱区（~200 MPa）、非矿化区（~50–100 MPa）、矿化区（~500 MPa–1 GPa）及骨区（~20 GPa），通过调控交联密度与材料取向实现梯度力学性能。
• 动物模型在TBI研究中具有重要作用。小动物模型（如大鼠、兔）成本低、建模快，但难以模拟人体修复动力学；大型动物模型（如羊、猪）更接近人体结构，但成本高、手术难度大。
• 水凝胶的未来发展方向包括：1）智能响应型水凝胶调控局部微环境；2）多模态水凝胶整合基因、细胞与因子递送；3）仿生支架促进TBI全层再生；4）3D打印与微流控技术实现精准结构与功能重建。

研究意义与展望

水凝胶在肌腱-骨界面修复中展现出独特优势，其仿生设计策略为下一代生物材料开发提供指导。未来研究需进一步结合智能响应机制与多组分递送系统，探索个体化、精准修复策略，最终推动水凝胶材料从实验研究向临床转化。

 

干细胞与细胞因子递送研究支持，提供干细胞培养、定向分化与细胞功能分析服务，适用于TBI修复策略开发。

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结语

本文系统总结了肌腱-骨界面（TBI）的生理结构、修复机制及水凝胶仿生设计策略。TBI具有复杂的多层梯度结构，其修复过程涉及细胞因子梯度变化与微环境动态调控。传统修复方法难以重建天然TBI结构，导致再撕裂率居高。水凝胶因其良好的生物相容性、可调控力学性能及仿生结构设计，成为TBI再生的关键材料。文章提出仿生水凝胶的三大策略：静态结构仿生、生物梯度仿生及动态响应仿生，并强调结合3D打印、微流控及干细胞递送技术，以实现精准的组织再生。最终，高度仿生的水凝胶有望成为TBI修复的临床新方案，为再生医学与生物材料设计提供理论支持与技术路径。

 

Xinghao Yin, Juehong Li, and Cunyi Fan. Highly bio-adapted hydrogels for tendon-bone interface regeneration: Natural healing inspiration, design strategies, and biomedical potential. Bioactive Materials.