近期，东华大学纺织学院王璐教授和上海交通大学附属第六人民医院赵金忠主任在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上联合发表论著文章：具有动态力学性能和空间适配性的再生过程匹配支架用于韧带重建。本研究通过操控不同降解速率的纤维排布，创新性地设计了一种具有动态力学性能和空间适配性的再生过程匹配支架，以调控胶原纤维重塑。

01、研究内容简介

韧带再生是个复杂的过程，需要动态力学性能和可调空间调控胶原重塑。目前可用移植物存在强度差、结构致密、空间有限等问题，难以提供再生过程所需的力学支撑及内部空间，阻碍组织浸润与重塑，导致令人失望的重建成功率。将支架降解速率与组织再生过程在力学及空间特性上相匹配仍然是一项挑战。本研究受韧带愈合生理阶段的启发，通过操控具有不同降解速率的纤维排布，创新性地设计了一种具有动态力学性能和空间适配性的再生过程匹配支架，以调控胶原纤维的沉积和重塑。所得支架具有仿生的纤维取向和三相力学行为，同时展现出优异的强度及刚度。此外，随着材料的逐渐降解，支架内部空间从第6天开始增加，并在第24天保持稳定，这与天然韧带的细胞增殖和基质沉积阶段一致。体内成熟的胶原纤维浸润及增加的骨整合证实了动态的力学性能和适配性的空间可促进韧带良好重塑，进而在16周时维持了天然前交叉韧带（ACL）67.65%的破坏载荷。本研究证明了动态力学性能和适配性空间对组织再生的协同促进效应，有望为韧带重建开辟新途径。

图1：支架设计与制作原理图。（A）12锭编织机示意图；（B）编织支架示意图；（C）皮芯编织结构截面图；（D)芯层编织束；（E）芯层编织束截面图；（F）支架梯度降解以适应再生过程，促进重建。

图2：表观形貌及理化表征。（A）支架的数码照片；（B）支架的皮芯编织形态；（C）C1@1S6B的三维结构和截面XRM图像；（D）支架孔隙率；PPDO、PGCL、PGLA纱线的（E）XRD、（F）DSC、（G）TGA、（H）DTG图。

支架的制备与表征：如图2所示。PPDO、PGCL和PGLA均匀分布在支架的皮层和芯层束中。PPDO、PGCL和PGLA的轨迹位置沿支架轴向转移，芯束和皮层的编织角分别为19.27 ~ 30.05°和33.85 ~ 40.81°，成功复制了天然ACL胶原纤维束的卷曲角度（15 - 45°）。支架的初始孔隙率为35.43 - 53.74%，为早期细胞粘附提供了位置。热力学研究显示，三种纱线具有良好的热稳定性。

图3：力学性能。PPDO、PGCL和PGLA纱线三相力学性能（A）、极限断裂强度（B）、刚度（C）；梯度降解支架三相力学性能（D）、极限断裂强度（E）、刚度（F）；（G）500个周期内的峰值负载变化；（H）加卸载循环曲线；（I）应力松弛曲线；（J）500次循环期间的峰值负载衰减率(PLR)；（K）弹性恢复速率；（L）应力松弛速率(SR)。

力学性能：如图3所示。所制备的支架具有三相力学性能、优异的抗拉强度和良好的刚度。抗疲劳性能表明，该支架能够保持股骨和胫骨的相对位置，避免重建后早期疲劳失效。1S6B结构表现出良好的力学性能，C1和C2之间没有显著差异。为进一步验证C1和C2的降解性能，选择C1@1S6B和C2@1S6B两种梯度降解支架（GDS）进行体外加速降解试验。

图4：支架体外降解性能。（A）C1@GDS和（B）C2@GDS的SEM图像；在50℃的PBS缓冲液降解过程中支架（C）力学性能、（D）孔隙率、（E）吸水率、（F）质量损失、（G）降解液pH、（H）重量平均分子量的变化。黄色、红色和蓝色箭头分别表示PGLA、PGCL和PPDO纱线。

体外加速降解：如图4所示。结果表明，梯度降解的速度允许支架在增殖期提供三维贯穿孔道，使自体组织长入，同时保持结构完整性；在重塑期缓慢降解撤退，逐步将其承重负担转移到新生组织，促进胶原纤维受力重塑。此外由于梯度降解支架降解时间的不同，降解产物累积释放所造成的酸性环境得到改善。

图5：细胞黏附与增殖。支架与rTSPCs共培养（A）8小时和（B）7天的黏附活性和增殖活性；（C）培养4天后细胞骨架形态。

细胞相容性：如图5所示。培养4d、7d后，大鼠肌腱干细胞（rTSPCs）在GDS中细胞存活率高于对照组，说明支架的三维结构为细胞增殖提供了更大的空间。培养7d后，C1@GDS和C2@GDS细胞活力保持在80-90%，表明支架具有良好的细胞相容性。

图6：大鼠皮下植入。（A）皮下植入术的实验设计；大鼠皮下包埋21天的（B）H&E染色图像、（C）炎症半定量、（D）Masson染色图像、（E）胶原浸润半定量。

大鼠皮下植入：如图6所示。皮下植入显示了GDS具有良好的生物相容性。GDS有效缓解酸性降解产物集中释放引起的慢性炎症反应。更重要的是，在逐渐降解的GDS中发现了胶原纤维，说明梯度降解结构在韧带再生中具有组织诱导潜能。

图7：韧带重建模型-炎症反应。（A）韧带重建时间轴示意图；（B）再生ACL的大体形态；（C）H&E染色图像；（D）组织与支架之间界面宽度的量化；（E）4周的CD68（红色）和CD3（橙色）免疫荧光染色。

图8：韧带重建模型-胶原沉积与重塑。（A）Masson染色图像；（B）PSR染色图像；（C）胶原浸润半定量；（D）胶原纤维的双折射图像；（E）Ⅰ型胶原蛋白半定量。

图9：韧带重建模型-骨整合、生物力学性能。（A）重建16周的股骨和胫骨隧道横切面的Micro-CT图像；（B）平均骨隧道面积的定量分析；（C）BV/TV值；（D）ACL重建术后4、8和16周股骨-胫骨复合体的失效载荷、（E）极限断裂强度（UTS）、（F）刚度（Stiffness）和（G）模量（Modulus）。

兔韧带重建模型：图7-9所示，评估GDS的组织再生情况。大体观察显示，在4周时，GDS支架表面出现了明显的孔，这是由于PGLA和PGCL纤维降解造成的，而PET支架仍保持较为致密的结构；在8或16周时，PET组有轻微的滑膜覆盖，表明持续的炎症反应，而GDS组观察到有光泽的新生组织。组织学分析显示，GDS组界面组织中巨噬细胞(CD68)和T细胞(CD3)浸润率低于PET组；GDS组在8周或16周时胶原浸润率显著升高，且主要为成熟的Ⅰ型胶原纤维。可以看出，GDS通过提供动态力学性能和可调节的空间，促进胶原纤维浸润，使支架逃脱应力屏蔽作用而良好重塑。股骨和胫骨横截骨隧道的典型图像显示，GDS可以减少骨隧道面积，增加BV/TV，与PET组相比，可以增强韧带的骨整合。生物力学结果证明，在第16周时，随着剩余PPDO纤维材料力学性能的丧失，断裂发生在股骨-胫骨复合体的中间部位，失效载荷达到天然兔ACL的67.65%，仍保持足够的力学性能。

结论：综上，该研究创新性地开发了一种具有动态力学性能和空间适配性的再生过程匹配支架。通过操纵PPDO、PGCL和PGLA纤维的轨迹，以优化支架的力学性能及内部空间。体外力学测试结果显示梯度降解支架（GDS）具有仿生的三相力学性能，展现出优异的强度及抗疲劳性能。在这种梯度降解体系中，随着PGLA和PGCL降解，GDS的孔隙率从第6天到第24天逐渐增加，这与愈合过程中的细胞增殖和基质沉积阶段一致。体外细胞实验数据表明，GDS具有良好的细胞相容性。在体内，组织学染色显示GDS中有更多的胶原浸润和更好的移植物-骨整合，16周时维持了自体韧带67.65%的破坏负荷。这种与再生过程匹配的支架可能是韧带/肌腱重建的可行替代方法。