摩擦自适应水凝胶涂层：在韧带与骨骼整合过程中实现机械性能与免疫功能的协同作用

《Biomaterials》：Friction-Adaptive Hydrogel Coating for Mechanical-Immune Synergy in Ligament-to-Bone Integration

人工前交叉韧带（ACL）重建中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料因生物惰性导致机械微动和持续性异物反应（FBR），阻碍骨整合。本研究开发一种双网络水凝胶涂层，通过邻苯二酚修饰的透明质酸（HAMA-DOP）与热响应型聚集体形成网络（PF127-DA），实现三重功能：①邻苯二酚与PET的π-π堆积、氢键及动态共价键形成强界面粘附，氧化交联形成致密二次网络增强抗剪切性能和自修复能力；②PF127-DA在37℃溶胶-凝胶转变实现 celecoxib（CXB）可控释放，早期抑制炎症反应（COX-2/PGE2通路），晚期促进再生；③CXB剂量依赖性调控免疫：低剂量诱导M2巨噬细胞极化、血管生成和骨桥形成，高剂量破坏免疫稳态。体内实验证实该涂层有效阻断机械微动与炎症的恶性循环，为人工韧带骨整合提供新型智能界面策略。

　　

双王|陈天武|李勇|张雷|王静|刘长胜

中国华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海

摘要

前交叉韧带（ACL）重建的长期成功取决于人工移植物与宿主骨骼之间的稳定整合。尽管聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）人工韧带的机械强度良好，但它们常常会因微动引起的纤维化和持续的异物反应（FBR）而受阻，这些因素共同阻碍了骨整合。在这里，我们开发了一种具有分阶段局部免疫调节能力的双网络水凝胶涂层，实现了移植物-骨骼界面的“机械-免疫”协同作用。儿茶酚功能化的透明质酸（HAMA-DOP）通过π-π堆叠、氢键和可逆共价键与PET形成强粘合相互作用。随后的氧化交联形成致密的醌基二次网络，提高了抗剪切性和疲劳耐久性，同时支持自我修复。Pluronic F127二丙烯酸酯（PF127-DA）引入了热响应结构，使水凝胶在4°C时为可注射液体，在37°C时变为稳定的凝胶，从而实现Celecoxib（CXB）的局部和相位特异性释放。这有助于早期抑制炎症并持续促进再生。体内研究表明，CXB具有剂量依赖性的调节作用：低剂量释放可促进M2巨噬细胞极化、H型血管形成和骨桥接，而高剂量则会损害免疫稳态和骨整合。这项工作建立了一种稳健的、生物响应性的界面策略，推动了人工韧带整合效果的创新涂层设计。

引言

前交叉韧带（ACL）损伤是运动医学中最常见且致残性最强的膝关节损伤之一，ACL重建已成为全球范围内的常规手术。自1982年Leeds-Keio合成韧带问世以来，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）人工韧带已用于数万例ACL重建手术。流行病学登记数据尚未报告所有ACL重建中PET移植物的确切比例，但历史数据显示，到2001年全球至少进行了14,000例Leeds-Keio手术，到2010年这一数字已超过50,000例[1]，[2]。在中国，新一代PET人工韧带的应用迅速扩展，报告了超过50,000例ACL重建手术，临床效果总体令人满意。这些数据表明，PET人工韧带已成为ACL重建的临床公认选择，尤其是在亚洲、欧洲部分地区和中东等地，而不仅仅是一种实验性材料。

然而，当前专家共识认为，没有一种单一的移植物可以被视为ACL重建的“金标准”[3]。自体移植物、同种异体移植物和PET人工韧带各有优缺点，移植物选择需根据患者年龄、运动需求、伴随损伤和外科医生经验来个性化决定[3]，[4]。自体移植物和同种异体移植物提供活组织，但受到供体部位并发症、可用性有限以及康复延迟的限制。相比之下，PET人工韧带具有标准化的尺寸，避免了供体部位损伤，并有望加速康复和早期重返运动，这对高需求运动员特别有吸引力[4]。然而，PET的生物惰性和相对较差的移植物-骨骼整合仍然是主要问题，包括隧道扩大、纤维界面形成和晚期机械失效[5]，[6]，[7]。这些未满足的需求促使人们开发表面工程策略，旨在赋予PET韧带免疫调节和骨传导功能，同时保持其在早期功能恢复方面的临床优势。最近的综述系统总结了基于PET的人工韧带和表面修饰涂层的发展，并一致指出，生物活性不足和移植物-骨骼整合不佳是其更广泛临床应用的主要障碍[8]，[9]。这些问题主要源于植入界面的两个核心问题：机械不稳定性和持续的异物反应（FBR），形成了“机械微动和免疫炎症”的有害反馈循环，阻碍了PET韧带的临床应用。

最近的研究表明，作为生物惰性聚合物的PET在植入后缺乏表面生物活性[10]，[11]。手术过程中的高温处理和术后的高剪切力会导致表面微粒脱落[12]，进而引发急性中性粒细胞募集[13]、巨噬细胞极化失衡（偏向M1表型）[14]以及COX-2/PGE2炎症信号通路的激活[15]。这些事件共同抑制了新生血管形成和骨再生信号，同时加速了界面处的纤维化包裹。此外，微动引起的机械不稳定性进一步放大了炎症级联反应，形成了机械和免疫功能障碍的恶性循环。因此，在PET基韧带-骨骼整合领域，建立一种既能增强机械性能又能实现剪切载荷下时间控制免疫调节的新类型功能界面仍是一个紧迫挑战。

为了解决术后免疫失调问题，最近的研究越来越多地关注使用小分子药物来调节局部炎症。Celecoxib（CXB）是一种选择性的COX-2抑制剂[16]，因其抗炎和镇痛作用而被广泛使用[17]。与全身给药相比[18]，局部给药具有最小化全身毒性的优势，同时在目标部位保持高药物浓度，这在ACL重建后机械动态和易发炎症的微环境中特别有益。CXB的局部给药系统在利用水凝胶[20]、静电纺丝膜[21]或微球[22]治疗骨关节炎和肌腱粘连等软组织疾病方面显示出潜力。然而，它们在调节韧带-骨骼界面的免疫微环境方面面临关键挑战：(i) 许多材料在剪切力下缺乏足够的粘附力和结构稳定性，导致涂层脱落；(ii) 大多数释放系统无法提供与炎症修复动态相匹配的分阶段释放；(iii) CXB的免疫调节剂量-反应机制尚不明确，限制了平衡炎症抑制与骨整合的能力[23]。因此，迫切需要开发一种智能涂层系统，将界面机械强度[24]与时间控制的局部药物释放相结合，以在高剪切术后环境中促进PET移植物的稳定[25]和功能性骨整合。

为应对界面机械不稳定性和FBR激活的双重挑战，我们提出了一种多功能双网络水凝胶涂层系统，该系统集成了界面增强、热响应控制释放和剂量窗口化免疫调节功能，作为机械-免疫协同干预的材料平台。该系统通过儿茶酚修饰的透明质酸（HAMA-DOP）和丙烯酸化的Pluronic F127（PF127-DA）的协同组装构建，并通过光聚合和氧化固化相结合的方式进行交联（方案1）。详细策略如下：(i) 界面增强和剪切稳定性：HAMA-DOP中的儿茶酚基团通过π-π堆叠[26]、氢键和动态儿茶酚键与PET表面形成强界面相互作用，实现牢固的生物粘附。随后的氧化将儿茶酚转化为醌结构，进一步促进链间交联，形成致密的双网络结构，增强剪切应力下的结构稳定性和疲劳耐久性，同时赋予自我修复能力，以实现长时间的功能保持。(ii) 热响应凝胶化和控制药物释放：PF127-DA网络[27]使水凝胶具有优异的热响应凝胶化行为，在4°C时保持低粘度、可流动的溶液状态，便于注射或均匀涂覆在PET表面。当温度升至37°C时，水凝胶迅速发生溶胶-凝胶转变，形成致密且牢固粘附的凝胶层。这种热响应凝胶化不仅有助于原位稳定涂层，还创建了一个限制扩散的基质，实现CXB的局部和持续释放。通过时间调节释放动力学，该系统支持从早期炎症抑制到后期组织再生的治疗范式，符合ACL重建后的动态免疫再生需求。(iii) 剂量窗口化免疫调节：低剂量CXB调节早期中性粒细胞活性，重新编程免疫反应以促进血管生成和骨整合，而高剂量则会延迟再生，形成“剂量-免疫途径-组织反应”循环。

总之，该水凝胶系统为PET韧带提供了一种结构稳健、自修复和免疫响应的界面涂层。本研究首次实现了韧带-骨骼界面的“机械-免疫”协调策略，为功能和精确干预提供了系统性的材料基础和机制解决方案，解决了FBR介导的纤维化包裹问题，并展示了将人工韧带技术从实验室推向临床的潜在转化前景。

材料制备

所有化学品和试剂均从商业供应商处购买，按原样使用，除非另有说明。透明质酸（HA）、碳酸钠（Na₂CO₃）、三乙胺（TEA）、二氯甲烷（DCM）、酰氯（AC）、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和多巴胺均来自中国上海的Macklin Biochemical Co., Ltd。磷酸盐缓冲盐水（PBS）和分子量截留（MWCO）为8000-14000 Da的透析袋也来自该公司。

水凝胶涂层的制备和物理化学表征

为了解决传统水凝胶涂层在机械强度、界面粘附和功能整合方面的局限性，我们开发了一种装载了Celecoxib（CXB）的双网络水凝胶系统（CXB@HAMA-DOP/PF127-DA），简称CXB@HP。该系统集成了光触发凝胶化、自我修复能力、热响应药物释放和定向粘附，旨在为PET人工韧带提供结构稳定和免疫调节的涂层。

讨论

前交叉韧带（ACL）重建的长期成功经常受到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）人工韧带生物惰性的影响，这种惰性会在移植物-骨骼界面引发机械微动和慢性免疫激活[41]。这些病理反应共同导致隧道扩大、纤维化包裹[42]和骨整合不良[43]。在这项研究中，我们开发了一种多功能CXB@HP水凝胶涂层，以实现

结论

总体而言，本研究提出了一种合理设计的水凝胶涂层，实现了韧带-骨骼界面界面力学和局部免疫反应的协调调节。通过将摩擦适应性粘附、自我修复能力和可控的Celecoxib释放集成到一个平台上，CXB@HP系统有效打破了机械微动和炎症的恶性循环，从而改善了PET移植物的整合。

CRediT作者贡献声明

双王：撰写——原始草稿、验证、软件、方法学、研究、数据分析、数据管理。李勇：撰写——原始草稿、方法学、数据分析。陈天武：方法学、研究、数据分析、数据管理。刘长胜：监督、项目管理、资金获取、概念构思。王静：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念构思。张雷：撰写——

数据和材料可用性

评估本文结论所需的所有数据均包含在文章和/或补充材料中。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金重点计划（编号32230059）、基础科学中心计划（编号T2288102）、中国国家自然科学基金（编号32471406、32101086、52202350、82502978）、前沿科学中心材料生物学与动态化学基金会（编号JKVD1211002）以及山东省重点研发计划（2023CXPT103）的支持。