人体拥有卓越的自我修复能力，但疾病、衰老和损伤往往会损害其恢复完整功能所需的复杂组织结构的能力。再生医学整合化学、生物学和工程学原理，通过设计支持宿主组织整合的植入物和支架来增强自然修复过程。肌肉骨骼系统由骨、肌肉、肌腱和韧带组成，具有分级的硬组织至软组织界面。尽管在开发模拟这些天然结构的组织工程构建体方面已取得显著进展，但实现结构与成分梯度仍是主要的临床挑战。本综述总结了功能性和响应性生物材料的设计当前进展，特别是那些能够重现细胞外基质（ECM）梯度和生长因子动态变化的材料。文中探讨了用于制造复杂自组织支架的新兴策略，并强调了将这些响应性材料转化为临床可行再生疗法过程中的关键挑战与机遇。
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引言
组织工程的核心目标是修复、增强或替代受损或功能障碍的组织，以应对创伤、损伤、年龄相关性退行性疾病日益增加的迫切需求。当前全球范围内供体器官短缺，且传统骨科植入物存在明显局限性，使得这一需求愈发紧迫。肌肉骨骼系统包含骨、骨骼肌和结缔组织三类核心组织，分别承担运动支撑、收缩驱动与力学连接功能，不同组织通过复杂的梯度界面实现力学载荷的有效传递。目前针对骨-肌腱交界等复杂界面的治疗手段，包括骨替代物、骨膜自体移植、生长因子递送、基因治疗和干细胞移植等，往往难以重建天然的梯度过渡区，且常伴随供区并发症、感染、出血和免疫排斥等风险。此外，单纯器官移植无法满足全球增长的需求，因此亟需开发能够复制器官各向异性和生理功能的工程化解决方案，这类方案需要依赖多种细胞类型的协调活动和精密的生物过程。肌肉骨骼界面可细分为肌肉-肌腱、肌腱-骨、软骨-骨和韧带-骨四类梯度结构，其中软骨-骨界面又称骨软骨界面，肌腱-骨与韧带-骨界面统称为附着点（enthesis），肌肉-肌腱界面称为肌-腱结合部（MTJ）。这些界面均呈现从软到硬的连续结构、成分与细胞类型变化，例如骨软骨界面从浅表软骨的非钙化区过渡到钙化软骨区再整合至软骨下骨，而肌腱-骨附着点则包含肌腱、纤维软骨和骨三个渐变区域，纤维软骨区的矿化程度从肌腱侧向骨侧逐步升高。现有治疗策略难以完全模拟这些天然梯度特征，且由于软骨无血管、再生能力有限，骨软骨缺损的临床修复尤为困难。理想的工程化构建体需要同时匹配天然组织的分层结构、力学性能和生化信号，包括纳米、微米和宏观尺度的仿生细胞外基质特征，以及时空动态的生长因子递送模式。
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复杂细胞与非细胞材料的制备
2.1 支架设计与参数
人体组织的异质性源于胚胎发育过程中形成的特性梯度，因此在设计组织界面支架时，必须构建成分、物理和化学性质呈渐变特征的梯度支架。梯度可分为物理梯度和化学梯度两大类：物理梯度又称结构梯度，包括孔隙率、形貌和力学刚度梯度；化学梯度涵盖成分梯度和分子梯度。在肌肉骨骼界面中，这两类梯度共同调控细胞黏附、迁移和分化等行为，是实现成功组织再生的核心要素。物理梯度通过生物材料的精准设计与加工实现，其中孔隙率、孔径和材料刚度是构建物理梯度的关键参数。例如骨组织的孔隙率随部位变化呈现明显的结构梯度，且会随外部力学载荷发生动态重塑。支架的多孔结构不仅影响细胞附着、营养交换和废物排出，还通过宏孔引导血管化和组织长入，但孔隙率与力学刚度之间存在权衡关系——提高孔隙率会降低支架刚度，而过高的刚度又会限制细胞渗透和营养物质运输。因此，需要平衡孔隙率与力学性能，使其匹配天然界面的力学过渡特征。
2.2 孔隙率
组织结构的物理梯度很大程度上源于细胞外基质组分的空间排布和多种细胞表型的共存。在肌肉骨骼界面支架设计中，孔隙率梯度的构建可通过热致相分离、盐析、3D打印、离心冷冻干燥等多种技术实现。例如，采用热致相分离结合盐析法制备的骨软骨支架，径向排列孔区模拟软骨，随机孔区模拟软骨下骨，可有效促进骨软骨缺损修复；纤维素纳米晶体水凝胶通过3D打印形成孔隙率梯度，可同时满足高孔隙区域的细胞长入、营养运输和低孔隙区域的力学承载需求。不同 fabrication 方法可实现的孔径范围从数百微米至数毫米不等，对应不同的组织再生应用场景，如大孔径（0.5-2 mm）适合骨组织长入，而微孔结构更适合软骨细胞的定植与基质分泌。
2.3 形貌
天然肌肉骨骼细胞外基质的生物物理特征难以复制，支架表面形貌直接影响细胞增殖与功能。电纺技术可制备纳米纤维支架，模拟肌肉肌腱的胶原纤维结构，而具有剪切变稀特性的快速凝胶化水凝胶允许细胞迁移并通过纤维网络附着。近期研究显示，基于明胶甲基丙烯酰（GelMA）的水凝胶可通过内部纤维结构引导成肌细胞定向排列，聚乙二醇-巯基（PEG-SH）交联体系可实现不同形貌支架的稳定界面融合。细胞对机械信号的感知会影响其向特定谱系的分化，微尺度细胞力和宏观力学加载均在梯度组织的发育成熟中发挥关键作用，而支架介导的细胞自组装或自组织过程进一步决定干细胞的命运走向。
2.4 基质刚度
基质刚度是独立调控骨髓间充质干细胞（MSCs）等多谱系分化的关键参数。在肌肉骨骼系统中，较高刚度（50-90 kPa）可诱导MSCs呈现成纤维样形态并促进成骨、成软骨分化，而较软的基质（30-50 kPa）则更适合肌腱等结缔组织的发育。例如骨软骨界面需要支架从软骨侧的低刚度逐渐过渡至骨侧的高刚度，以分别支持软骨细胞和骨细胞的定植与功能发挥。表面粗糙度和纳米级基质结构可增强细胞黏附，并引导细胞在纤维拓扑结构下的成腱、成骨或成软骨定向分化。目前该领域的挑战在于如何匹配材料降解速率与组织成熟进程，通过绘制组织成熟图谱与材料降解曲线的对应关系，可构建用于疾病建模和治疗开发的复杂细胞外基质模拟系统。
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梯度制备的参数
3.1 工程构建体
3.1.1 肌肉骨骼界面的支架组成
肌肉骨骼界面支架的制备可采用天然、合成或半合成聚合物。天然聚合物如海藻酸盐、胶原蛋白具有良好的生物相容性和可降解性，类似天然细胞外基质，但力学强度较弱、加工难度大且成本高；合成聚合物如聚乳酸（PLA）、聚乙二醇（PEG）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和羟基磷灰石（HA）具有优异的力学强度和可重复性，但细胞亲和性较差；半合成聚合物如海藻酸盐-HA、胶原蛋白-HA则结合了天然材料的生物活性和合成材料的可调控性。理想支架的降解速率需与新组织生长速率匹配，在降解过程中维持足够的力学强度，直至损伤部位完全修复，同时需具备良好的生物相容性，不引发炎症或免疫反应。不同聚合物可通过冻干、电纺、3D生物打印等技术加工成梯度支架，例如电纺聚左旋乳酸（PLLA）与胶原蛋白Ⅰ（COL1A1）复合支架可同时提供仿生纤维结构和互联多孔网络，促进纤维软骨形成和界面整合。
3.1.2 梯度的组装与时空动态
3.1.2.1 反应-扩散与传输驱动的梯度形成
瞬态梯度的建立通常源于分子/离子传输与物种固定的耦合过程，例如离子、交联剂、引发剂或生长因子沿浓度梯度扩散，直至发生交联、结合或矿物沉淀等反应将空间差异“锁定”。梯度的陡峭程度取决于扩散与固定过程的相对速率：若扩散快于固定，梯度趋于平缓；反之则可保留陡梯度。因此，精准调控分子的扩散系数、固定速率和固定时间是梯度设计的核心。近期水凝胶研究通过组分扩散与交联的差异控制实现了密度梯度，例如光引发剂系统可在水凝胶内通过离子扩散形成矿化梯度，进而产生刚度梯度，这种传输-反应的耦合机制是理性设计功能梯度的关键基础。
3.1.2.2 相分离与动态凝胶化
当温度、溶剂组成和离子强度在预聚体支架中发生变化时，相分离和动力学凝胶化可产生空间变化的微观结构。热致相分离（TIPS）可通过淬冷聚合物/溶剂体系形成高、低聚合物相，从而构建分级多孔结构。例如Zhang等人利用低温沉积结合TIPS制备了包含软骨区和骨区的多带骨软骨支架，而Conoscenti等人则通过TIPS调控聚左旋乳酸（PLLA）支架的孔径以适应软骨细胞生长。但目前该领域仍缺乏针对动态凝胶化过程的深入研究，尚未实现微观结构的实时重构与梯度动态调整。
3.1.2.3 可编程材料性能
增材制造技术可通过逐层图案化和区域选择性曝光实现材料性能的编程调控。3D生物打印尤其适合沉积载细胞生物墨水，构建多材料和梯度结构，模拟天然肌肉骨骼界面的分区组织特征。例如，挤出式打印可通过正弦图案构建三维密度梯度，支持人骨髓间充质干细胞（MSCs）的健康生长；而数字光处理（DLP）等光基技术虽分辨率高，但受限于光交联材料的选择范围。近期研究已实现双相骨软骨支架的生物打印，将肥大软骨微组织嵌入3D打印的聚己内酯（PCL）框架中，或在金属晶格支架表面通过微组织图案化构建杂化骨软骨植入物，有效促进透明软骨的仿生胶原网络形成。可编程材料还可实现时序性降解，分阶段释放生物活性因子，匹配组织修复的动态需求。
3.1.2.4 细胞介导的梯度
瞬态梯度并非仅由材料因素驱动，细胞可通过分泌细胞外基质和重塑组织结构主动产生或放大空间异质性。例如在附着点发育和修复过程中，Gli1+祖细胞群及其受限的分化程序驱动矿物沉积和分区细胞外基质组成的形成。支架可作为这类细胞的生态位，通过调控转录因子表达引导谱系定向。将图4所示的制备工艺与具有梯度调控功能的细胞相结合，利用细胞-细胞和细胞-基质相互作用，是实现长期功能整合的关键。
3.1.2.5 外部刺激与场控
外部刺激可提供瞬态系统制备的精准按需调控，包括光、磁场和力学加载等。光激活可实现区域刚度调控，磁场可操控纳米颗粒定位，力学加载可促进纤维网络密度或浓度升高。这些外场调控手段可用于体外组织成熟、血管化和矿化过程的精确控制，更好地模拟肌肉骨骼界面的动态微环境。
3.1.3 梯度类型
顺序分层是最简便的梯度制备方法，无需复杂设备，可通过调控每层光交联预聚体溶液的浓度、体积和紫外曝光强度，在光交联水凝胶中构建力学和成分梯度。可控流体混合则通过调节多通道入口的流速，在混合出口处形成连续梯度，适用于构建成分、形态发生、力学和结构梯度。电纺技术通过将不同聚合物溶液依次注入储液罐，在移动收集器上沉积纤维，可调控纤维排列和孔隙率，近期研究将电纺与增材制造结合，在3D打印结构支撑体中嵌入电纺纤维区域，成功构建了同时支持成骨和成腱分化的仿生附着点支架，以及模拟骨-韧带界面三分区特征的杂化植入物。此外，理解天然组织的应变行为对支架设计至关重要，例如人体跟腱失效测试显示其存在异质性应变分布，提示工程支架需重现这种渐进式力学过渡。
3.2 面向4D材料设计的功能性生物分子
组织与骨折愈合依赖于生长因子的时空释放与呈现。在骨再生过程中，成骨细胞、内皮细胞、炎症细胞和骨髓基质细胞均可分泌生长因子，通过与靶细胞表面跨膜受体结合启动特异性生物学活性。不同生长因子在相同受体或不同受体上的结合会触发不同的细胞内转导通路，从而调控细胞功能、增殖、迁移和分化。针对肌肉骨骼界面修复，常用生长因子包括胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、转化生长因子-β（TGF-β）、血管内皮生长因子（VEGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、骨形态发生蛋白（BMP）、成纤维细胞生长因子（FGF）和肝细胞生长因子（HGF）等，它们在炎症期、增殖期和分化期发挥特定作用，且具有严格的剂量依赖性——例如BMP-2在0-100 ng/mL范围内呈剂量依赖性诱导间充质干细胞成骨分化，而TGF-β1在1-10 ng/mL促进成软骨分化，≥10-20 ng/mL则易诱导纤维化样细胞外基质生成。生长因子的半衰期较短（多数在数分钟至数小时），且其活性不仅取决于半衰期，还与局部浓度阈值和空间梯度分布密切相关，因此需结合载体材料、生物学功能和递送方式综合设计。
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组织工程构建体中的生长因子
生长因子可通过物理包埋或化学结合两种方式整合到组织构建体中。物理包埋是将生长因子封装在水凝胶、微球、纤维支架或多孔固体支架内部，依赖扩散、支架降解、水解或蛋白水解实现释放；化学结合则通过阴离子相互作用或共价固定将生长因子连接到支架基质上。物理包埋中，水凝胶因可负载可溶性或不溶性分子而被广泛应用，其释放行为可通过交联方式（离子交联、共价键交联、紫外交联、热交联）调控溶胀/渗透性，延长生长因子生物活性维持时间至28天，但水凝胶力学强度较低，限制了其在承重界面的应用。微球是另一种长效递送载体，可通过复合支架构建、预成型基质掺入或微粒聚集等方式整合到支架中，实现生长因子的时空释放。例如采用层次化微球系统，将结合肝素的骨形态发生蛋白-2（BMP-2）纳米球封装在明胶-肝素微球中，再进一步包埋在聚左旋乳酸（PLLA）微球内，可实现生长因子的持续稳定释放。化学结合中的共价固定可实现生长因子与支架的永久连接，稳定性优于物理包埋，且能在更宽的温度和pH范围内保持活性，但可能导致生长因子生物活性下降，且制备过程耗时、成本高，难以确定发挥生物学效应所需的最适结合量。吸附是最简便的非共价结合方式，通过浸泡将生物分子负载到预成型支架表面，可通过调控支架表面电荷、润湿性、粗糙度和官能团优化吸附效率，但存在负载率低、初期突释明显的局限性。
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功能化的重要性
在梯度支架设计中，需对惰性材料进行功能化修饰，使其能根据修复或重塑阶段引导细胞响应。例如骨愈合是一个从炎症反应、早期基因激活到生长因子和细胞因子信号级联的生化过程，伤后数天成骨祖细胞到达缺损部位启动细胞黏附、分化和血管生成，数周内完成愈合，因此支架功能化需模拟天然细胞外基质的生理微环境。自下而上的自组装生物材料因优异的生物相容性、细胞外基质模拟能力和可降解性，成为构建肌肉骨骼界面仿生支架的重要方向。
5.1 自组装肽
自组装肽（SAPs）是短肽序列，可在pH、温度、离子强度等环境刺激下相互作用，形成超分子纳米结构和水凝胶。自组装肽支架可支持细胞黏附、迁移、分化和增殖，其生产可通过化学合成（定制化强但难规模化）或重组生产（成本低、适合大规模制备）实现。通过设计可形成β-折叠、α-螺旋、两亲性结构或三螺旋的肽序列，可构建多样化的超分子纳米结构，且力学和化学性质可调。自组装肽水凝胶具有剪切变稀和形状记忆等流变学特性，适合作为生物墨水用于生物打印，且可通过引入精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-丝氨酸（RGDS）、异亮氨酸-赖氨酸-缬氨酸-丙氨酸-缬氨酸（IKVAV）等生物活性 motif 调控细胞特异性生物学行为。例如将纤维连接蛋白来源的RGDS序列整合到肽两亲物中，可在丝素支架内形成同时支持骨和软骨细胞生长的梯度水凝胶体系，其刺激响应特性还可实现治疗药物的可控释放。
5.2 响应性材料
响应性生物材料由高性能聚合物构成，可在外部刺激下改变力学或物理性质，进而调控细胞行为。常见刺激包括光、温度、超声、电场和磁场，可实现干细胞操控、药物和生长因子的可控释放。光响应材料因光化学连接子种类丰富且光控便捷而被广泛应用，通过紫外或可见光调控含光活性化学物质的生物材料的力学和结构性质，改变细胞微环境，进而影响细胞迁移、分化和黏附。例如近红外光激活的明胶/富血小板血浆（PRP）水凝胶可释放PDGF、TGF-β和bFGF达35天，促进软骨修复，且周期性光照可进一步提升细胞增殖和分化水平。温敏水凝胶则通过温度变化触发响应，其体积变化由亲水和疏水基团比例决定，聚乳酸-羟基乙酸共聚物/聚己内酯（PLGA/PCL）、多肽和胶原蛋白等均可制备成温敏水凝胶，在软骨组织工程中应用广泛。例如功能化的温敏羟丙基壳聚糖水凝胶经紫外辐射增强力学性能后，可负载TGF-β1促进间充质干细胞成软骨分化和软骨再生。
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挑战与未来展望
尽管肌肉骨骼界面再生生物材料的设计与制备已取得显著进展，仍存在诸多局限：现有支架难以完全复刻天然组织的固有分级特性，尤其是软-硬组织的过渡区域；生物材料在动态力学载荷环境下的承载能力不足，无法同时支持营养交换和细胞成熟；生长因子的时空精准递送仍未达到理想水平；多数材料缺乏内源性促血管化能力，限制长期组织存活；生物材料可能引发炎症和宿主免疫反应，且批次间变异性大，大规模生产和临床转化面临实际障碍。未来需开发结合响应性信号的智能生物材料，整合患者自体细胞的个性化治疗方案，利用3D生物打印构建仿生梯度支架，甚至探索类器官生物打印技术，实现“医院内”个性化植入物的按需制备。通过深入理解生物过程与材料设计的耦合机制，有望最终实现肌肉骨骼界面复杂过渡区的功能性再生修复。
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结论
损伤和疾病可导致肌肉骨骼界面破坏，随着新兴技术与治疗策略的发展，组织工程为开发结构与功能完整的替代组织提供了新途径。本综述系统阐述了梯度构建体的制备参数、功能化策略和生长因子整合方法，指出工程化组织需紧密模拟天然组织的特性并响应动态生物环境。尽管在仿生支架设计方面已取得长足进步，但复刻肌肉骨骼界面的理想力学与成分特征仍是重大挑战。未来研究应聚焦于开发可整合响应性信号的新型智能生物材料，结合干细胞技术推动临床转化，应用于骨软骨缺损重建和个性化再生治疗。
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