在组织工程领域，模仿肌肉 - 肌腱 - 骨骼力学梯度变化的生物仿生材料的制备仍面临巨大挑战，而采用简单、环保的方法则更是难上加难。此类力学梯度对肩袖、跟腱等肌腱修复补片的应用极为关键，可防止应力遮挡，确保应力均匀分布，从而解决传统修复中常见的应力集中问题。在本研究中，作者提出一种策略，即使在高含水量条件下也能实现高强度，支持可编程的模量/结构梯度，具有广泛的适用性。以肩袖修复为模型系统，本研究成功实现了体内组织再生，并结合实时传感能力，为康复方案提供定量数据。这些水凝胶展现出区域机械性能的精确调控与无缝界面过渡，模仿了天然组织的层级结构。这一方法不仅优于传统手段，改善了愈合效果，还为康复训练建立了定量化的标准。

　　生物组织复杂的层级结构体现了自然工程的卓越能力，其中异质层和跨越多个长度尺度的结构协同作用，促进了复杂的生理功能。这种兼具力学性能和微观结构渐变的复杂架构，在生物材料与组织工程领域复制难度极高。对于承受负载的组织界面（如肩袖、跟腱和髌腱等诸多肌腱系统）来说，从柔软肌肉到坚硬骨骼的无缝过渡对高效传力和关节稳定至关重要。肌腱在力传递和关节活动中发挥着重要的机械作用，但其有限的再生能力使其容易受伤。肌腱撕裂的发生尊龙凯时科技有限公司率因解剖位置而异，肩袖撕裂的报告发生率为6%–39%，跟腱为0.05%-0.5%，髌腱为0.5%。肩袖肌腱撕裂（RCT）的发生率还随年龄和撕裂模式大幅变化，流行病学数据显示其患病率在 6% - 39% 之间，60 岁以上患者更为多见。尤其是巨大撕裂（5 厘米），因复杂的病理解剖和高复发率，给临床带来极大挑战。目前修复策略多依赖各种缝合技术直接将肌腱固定于骨骼。但这些方法常导致锚定部位应力集中，引发 “琴弦效应”，修复失败在所难免。传统均质补片虽旨在加强修复效果，但未能有效解决这一问题。补片机械强度不足会再次断裂，而过于坚硬则导致应力遮挡，引发补片下肌肉萎缩及其他并发症，阻碍愈合（图 1a、1b）。这些局限凸显了对生物仿生补片的需求，它要能有效复制肌肉、肌腱和骨骼之间复杂的机械过渡，防止再撕裂，维持生理功能并促进愈合（图 1c）。理想的补片应展现出机械性能的连续梯度，其强度过渡跨越多个数量级，以匹配从柔软肌肉到坚硬骨骼的自然组织界面，同时集成感应能力以进行术后监测。

　　基于此，作者提出了一种新的定向退火铸造（DAC）方法，用于制造力学性能可编程的渐变高强度水凝胶。这种方法能够设计出力学性能与天然组织界面相匹配的补片，同时具备应变传感功能，可在不引发炎症的情况下增强监测能力（图1d）。作者的方法通过对聚乙烯醇（PVA）水凝胶的结构进行空间调制来实现生物模拟，构建出具有不同密度和结晶度的取向多孔结构，从而实现仿生效果（图1e）。该方法的主要创新之处在于其单元可编程性，能够在前所未有的范围内精确控制力学性能。这种广泛的可编程性源于作者通过DAC方法实现的异常强大的力学性能，其拉伸应力上限可达43.5兆帕，断裂应变达275%，断裂韧性达1150千焦/平方米，杨氏模量达105.6兆帕。重要的是，作者的方法在多种材料系统中展现出通用性，能够在没有化学添加剂的情况下编程多种水凝胶系统的力学性能。这种可编程性适用于一维、二维和三维结构，使其潜在应用不仅限于肩袖修复，还可广泛应用于各种生物制造场景。此外，DAC方法具有简单、可扩展且不需要化学添加剂等关键优势，使其有望用于大规模制造。所得水凝胶在一个单一的整体结构内展现出力学性能的连续梯度，紧密模仿天然组织界面。通过弥合合成材料与复杂生物结构之间的差距，作者的方法为开发下一代能够更真实地复制天然组织复杂性的生物材料开辟了新途径，有可能彻底变革组织工程和再生医学的各个领域。

　　图1 机械编程强水凝胶肩袖撕裂（RCT）贴片的示意图。示意图展示了通过缝合修复大规模肩袖撕裂（RCT）的过程：a 仅缝合，b 使用均匀贴片进行缝合，c 使用机械编程贴片进行缝合。d 机械编程强水凝胶肩袖撕裂（RCT）贴片及肩部运动监测的示意图。e 机械编程水凝胶用于肩袖撕裂（RCT）贴片的结构示意图。

　　图2 机械编程强力水凝胶的DAC策略示意图。a 采用DAC策略制造机械编程强PVA水凝胶的示意图。b 不同聚合物包封厚度的PVA水凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像。c 在编程DAC策略下水凝胶的机械和结构演变示意图。d 导致PVA水凝胶结构和结晶度优化的DAC过程示意图。

　　图3 MP-PVA水凝胶的机械性能。a 不同区域用不同颜色标记的MP-PVA水凝胶在30%应变下的光学拉伸照片。b 以模拟应力剖面展示区域性程序化MP-PVA在30%应变下的应力分布。c 不同PI包封厚度的MP-PVA水凝胶的拉伸应力-应变曲线。d 腱骨界面处尊龙凯时科技有限公司的机械梯度。e 由MP-PVA水凝胶制备的肩袖撕裂（RCT）贴片在100%应变下的光学拉伸照片（软硬区域用不同颜色标记）。f 在40%应变条件下，以0.2 Hz频率进行连续500个加载-卸载循环的耐久性测试，测试对象为用MP-PVA水凝胶制备的肩袖撕裂（RCT）贴片。g 100 μm PI包封区域与400 μm PI包封区域界面扫描电子显微镜（SEM）图像。h 将MP-PVA水凝胶贴片缝合到缝线上的缝线 肩袖撕裂（RCT）贴片潜在应用的示范

　　a 在兔模型中使用RCT补丁修复大规模RCT。b 显示使用缝合、H-PVA补丁和MP-PVA补丁进行大规模RCT重建手术的过程照片。c 评估使用缝合、MP-PVA补丁和H-PVA补丁修复的肩袖组织重建的照片。d 代表性的生物力学测试中使用MP-PVA水凝胶补丁、均匀补丁以及无补丁的RCT修复的力-位移曲线周。e H&E和马松染色显示在4周后用MP-PVA补丁处理的RCT补丁（区域B、I和T分别对应骨组织、界面和肌腱）。f 评估在兔体内植入补丁后28天的炎症反应（**P值 0.01）。g 在体内实验中监测肩关节活动特征的前臂伸展和后弯。

　　现有水凝胶材料在达到界面骨骼端所需高强度的同时，难以兼顾软组织端的适当柔顺性，这进一步限制了其在全面模拟组织特性方面的有效性。本研究提出了一种绿色、通用且简便的定向退火铸造（DAC）策略，用于制备高强度且力学性能可编程的生物仿生水凝胶。DAC方法在空间选择性编程方面的简便性，能够在一个水凝胶单元内无缝集成具有不同拉伸强度和模量的水凝胶模块。通过一次性步骤，DAC在水凝胶的不同区域构建了差异化的定向多孔结构，从而实现了力学性能的显著增强和局部精确调节。这种方法的一个关键特点是，在具有刚度梯度的相邻区域之间保持了良好的界面连接特性。这种能力使得设计出能够有效模拟肌腱 - 骨骼界面强度的生物仿生补片成为可能，为传统的缝合范式提供了一种有前景的替代方案，并可能降低肩袖修复后肌腱再次撕裂的风险。DAC策略的多功能性不仅限于二维应用，还展示了一维和三维水凝胶材料力学性能编程的潜力。这种可扩展性使得创建复杂且生物仿生的力学梯度成为可能，从而更接近自然组织和器官中的层级结构。DAC过程无需额外试剂，从而提高了体内应用的生物相容性，同时展示了工业规模放大的潜力。一种连续生产模型已经开发出来，展示了大规模制造力学性能可编程且具有定制属性的水凝胶的可行性。因此，DAC策略为全面的组织仿生开辟了新的途径，为推动组织工程和再生医学领域的发展提供了有力工具。

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