一种具有机械适应性和抗粘附特性的新型聚氨酯纳米纤维支架，能够促进肌腱再生

《Biomaterials and Biosystems》：A novel polyurethane nanofiber scaffold with mechanical adaptability and anti-adhesion properties promotes tendon regeneration

肌腱修复中，传统手术存在术后粘连和机械性能不足问题。本研究通过电纺技术制备新型功能化聚氨酯纳米纤维支架（PU-NFS），在分子结构中引入刚性骨架和活性反应位点，突破传统PU化学惰性限制。实验表明，该支架可模拟天然腱周组织结构，促进BM-MSCs成腱分化，降低感染性大鼠模型术后粘连率，并优化机械性能至接近天然肌腱水平。该动态修复策略为临床肌腱损伤治疗提供创新解决方案。

　　本研究聚焦于解决肌腱损伤修复中的两个核心难题：促进肌腱再生与防止术后粘连（postoperative adhesion, PA）。尽管传统手术方法能够在一定程度上恢复肌腱的功能，但在临床应用中仍然面临诸如术后组织粘连和肌腱机械性能不足等关键问题，这些问题严重限制了治疗效果。近年来，静电纺丝技术制备的纳米纤维膜（electrospun nanofiber membranes, ENMs）因其能够模拟天然细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的结构与功能，逐渐成为解决这些挑战的有力工具。本研究提出了一种基于功能化聚氨酯（polyurethane, PU）的新型纳米纤维支架（nanofiber scaffold, NFS），构建了一个具有优异机械性能、生物活性和抗粘连能力的多功能治疗平台。该平台不仅能够有效支持肌腱细胞的粘附、增殖和基质沉积，还能够在修复过程中显著减少术后粘连的发生，从而提升整体修复效果。

肌腱作为连接肌肉与骨骼的重要机械组织，其主要功能是将肌肉收缩产生的力传递至骨骼，实现骨骼运动转化为肢体运动。然而，肌腱由于其结构特性，容易受到过度使用、意外伤害等多种因素的影响，每年影响超过1亿成年人。在美国，肌腱损伤的医疗负担估计每年达到300亿美元，而在欧洲，相关医疗支出则超过1150亿欧元。目前，肌腱损伤的主要治疗手段仍然是手术干预，尽管手术技术与术后康复策略不断进步，但术后感染、组织粘连等问题仍然存在，严重影响了临床治疗效果。因此，开发能够同时促进肌腱修复并减少术后粘连的新型功能材料，成为当前组织工程与再生医学研究的重要方向。

静电纺丝技术因其能够制备具有高度可设计性与功能化潜力的纳米纤维膜，受到越来越多研究者的关注。这种技术不仅可以实现纤维直径和取向的精确调控，还能通过材料的选择与改性，赋予纳米纤维膜多种生物功能。例如，Zeng等人开发了一种酶敏感型聚乳酸（PLA）-二吡啶胺（DP）接枝共聚物纳米纤维膜（PLC-DP），通过控制性释放DP，有效降低了组织粘连的发生率，同时确保了肌腱的正常愈合。此外，Iorio等人利用静电纺丝技术与良性溶剂系统，成功制备了具有不同比例的对齐聚己内酯（PCL）和聚甘油辛酸酯（PGS）纤维，其体外实验表明，与随机取向纤维相比，对齐纤维能够显著增强肌腱相关基因的表达，并改善构建物的拉伸机械性能。这些研究结果表明，静电纺丝纳米纤维膜不仅在结构上能够模仿天然肌腱鞘，而且在功能上也展现出良好的生物相容性和生物活性，为肌腱修复提供了新的思路。

聚氨酯（PU）作为一种重要的生物医用高分子材料，因其优异的物理化学性质和生物相容性，在肌腱组织工程中展现出巨大的应用潜力。通过静电纺丝技术制备的PU纳米纤维膜能够为肌腱细胞提供良好的粘附和生长环境，同时促进细胞外基质的沉积，从而部分模拟天然ECM的功能。例如，Bianchi等人合成了一种富含氧化铈纳米颗粒和硫酸软骨素的热塑性PU管状纳米纤维支架，其对齐的管状结构表现出与天然肌腱相似的机械性能，并显著增强了细胞的粘附与增殖能力。然而，传统PU材料由于其分子链中缺乏活性基团或反应位点，导致其在化学修饰方面存在一定的局限性，从而限制了其生物性能的进一步提升和多功能应用的拓展。因此，开发一种新型PU材料，使其分子链中具备可化学修饰的活性基团或反应位点，成为当前材料科学与组织工程领域的重要研究方向。

本研究基于上述背景，设计并合成了一种新型的反应性PU材料，该材料在分子链中引入了刚性结构和活性反应位点，从而克服了传统PU材料化学惰性带来的限制。通过优化分子设计，研究人员进一步调整了该材料的机械性能，使其能够更好地匹配天然肌腱的力学特性，同时保留了反应位点以支持后续的功能化修饰。随后，利用静电纺丝技术制备了具有特定纤维直径和取向的PU纳米纤维膜，并系统地研究了不同PU配方对纳米纤维膜表面形貌、体外降解性能以及其对细胞形态和功能的影响。通过这些实验，研究人员筛选出了一种性能全面的PU材料，为未来可植入支架的开发奠定了基础。

为了评估该新型PU纳米纤维支架在体内的生物相容性、抗粘连能力和整体肌腱修复效果，研究人员建立了一个具有感染性的兔部分跟腱缺损模型。在该模型中，研究人员对实验组和对照组进行了宏观观察、组织学分析、运动功能评估以及生物力学测试。实验结果表明，优化后的PU纳米纤维支架在体内表现出优异的生物相容性，能够有效抑制术后组织粘连的发生，并显著促进肌腱的修复过程。这一成果为肌腱及其他运动系统组织损伤的临床修复提供了新的解决方案。

此外，本研究还强调了材料设计与功能化在组织工程中的重要性。通过引入刚性结构和活性反应位点，研究人员成功实现了对PU材料性能的优化，使其不仅具备良好的机械支持能力，还能够促进细胞的定向分化和组织再生。这种多功能性的实现，使得新型PU纳米纤维支架能够在修复过程中同时满足“机械支持、抗粘连和组织再生”的需求，从而显著提升修复效果。同时，该研究也表明，通过合理的分子设计和结构调控，可以有效克服传统材料在生物功能方面的不足，为开发新型生物医用材料提供了重要的理论依据和技术支持。

本研究的创新点在于，不仅实现了对PU材料性能的优化，还通过静电纺丝技术构建了一个具有高度结构控制能力的纳米纤维支架。这种支架在模拟天然肌腱结构的同时，还具备良好的生物活性和抗粘连性能，能够为肌腱细胞提供适宜的生长环境，并有效抑制术后粘连的发生。研究人员通过一系列实验验证了该材料在体内的应用效果，包括其对细胞行为的影响、对组织修复的促进作用以及对术后并发症的抑制能力。这些实验结果表明，该新型PU纳米纤维支架在临床应用中具有广阔前景，有望成为未来肌腱修复的重要工具。

本研究的意义不仅在于材料的开发，更在于其对肌腱修复策略的创新。传统的肌腱修复方法往往需要依赖手术和术后康复治疗，而这些方法在实际应用中仍然存在诸多挑战。相比之下，基于功能化PU的纳米纤维支架提供了一种“动态修复”策略，能够在修复过程中同时实现机械支持和抗粘连功能，从而提高治疗的整体效果。这种策略不仅减少了术后并发症的发生，还为患者提供了更安全、更有效的修复方案。此外，该研究还为其他运动系统组织损伤的修复提供了借鉴，表明通过合理的材料设计和结构调控，可以开发出具有多功能性的生物医用材料，从而推动再生医学的发展。

在实验方法方面，本研究采用了多种先进的分析技术，以全面评估PU纳米纤维支架的性能。首先，通过核磁共振（NMR）等手段对材料的结构和化学特性进行了表征，确保其分子设计符合预期目标。其次，利用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜等技术对纳米纤维膜的表面形貌和纤维取向进行了观察，从而优化其结构性能。此外，研究人员还通过细胞实验评估了该支架对骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）的促进作用，包括其对细胞增殖、迁移和定向分化的影响。这些实验不仅验证了材料的生物相容性，还为其在临床应用中的潜力提供了有力支持。

在实际应用方面，该新型PU纳米纤维支架具有良好的可操作性和适应性。其结构可以通过静电纺丝技术进行精确调控，以满足不同类型的肌腱损伤需求。同时，由于其具备良好的机械性能和生物活性，该支架能够在体内维持较长时间，为肌腱细胞的生长和组织再生提供持续支持。此外，其抗粘连性能也使其在复杂肌腱损伤修复中具有独特优势，能够有效减少术后组织粘连的发生，提高修复效果。这些特性使得该材料在未来的临床应用中具有较大的发展空间，尤其是在需要长期支撑和抗粘连功能的修复场景中。

本研究还强调了材料科学与临床医学之间的紧密联系。通过将先进的材料设计理念与实际临床需求相结合，研究人员成功开发出一种新型的生物医用材料，不仅在实验室环境中表现出优异的性能，还在动物模型中验证了其在体内的应用效果。这种跨学科的研究方法为未来生物医用材料的开发提供了新的思路，也为临床治疗方案的优化奠定了基础。同时，该研究也表明，通过不断探索和改进材料性能，可以为患者提供更加安全、有效的治疗手段，从而推动再生医学在临床中的应用。

综上所述，本研究成功开发了一种基于反应性PU的多功能纳米纤维支架，该支架在结构设计和功能调控方面均表现出优异的性能。通过引入刚性结构和活性反应位点，研究人员克服了传统PU材料在化学修饰方面的限制，使其能够更好地模拟天然ECM的功能，并有效促进肌腱细胞的增殖和分化。体外和体内的实验结果表明，该材料在肌腱修复过程中能够显著减少术后粘连的发生，并提升修复效果。这一成果不仅为肌腱损伤的临床治疗提供了新的解决方案，也为其他运动系统组织损伤的修复研究提供了重要的参考价值。未来，随着材料科学和生物医学工程的不断发展，这种新型纳米纤维支架有望在临床中得到广泛应用，为患者带来更好的治疗效果和生活质量。