综述：从物理疗法到能量响应型生物材料：肌腱与骨骼愈合领域的当前策略与挑战

《Bioactive Materials》：From physical modalities to energy-responsive biomaterials: Current strategies and challenges in tendon-to-bone healing

肌腱-骨界面（TBI）损伤修复面临复杂病理微环境影响和现有物理疗法局限。本文系统评述LIPUS、机械刺激、ESWT、电刺激等物理疗法的机制、临床证据及瓶颈，提出整合响应性生物材料的创新策略。通过超声、压电材料与生物材料的协同作用，可精准调控能量响应、实现时空动态调节，促进梯度结构再生。未来需优化参数响应关系、建立智能生物材料系统并推进个性化治疗。

　　在运动医学领域，肌腱-骨界面（TBI）损伤后的功能再生能力不足一直是挑战。现有的康复策略在硬度和疗效方面存在显著局限，限制了其在长期管理TBI修复中的应用。物理疗法因其非侵入性、时空可控性和低免疫原性等优势，为TBI修复提供了有效的干预手段。然而，传统的物理疗法在应对TBI修复过程中涉及的复杂病理微环境方面仍存在困难。相比之下，利用物理能量响应型生物材料的治疗策略可以实现程序化、精准化和动态调控，有望整合这些优势并克服固有局限，从而为TBI修复开辟新的、有效的治疗途径。本文系统探讨了当前TBI修复中物理疗法的优势、应用现状及不足，特别关注参数响应关系和其背后的生物学效应机制。此外，还总结了能量响应型生物材料在TBI修复中的设计策略和应用进展，并讨论了未来方向和前景，旨在解决实现TBI修复的治疗核心挑战。

TBI是一个关键的肌骨系统结构，其作用是将肌腱或韧带锚定在骨骼上。作为一个从坚硬骨骼到可塑性肌腱或韧带的复杂过渡区域，其独特的梯度结构为关节运动提供了稳定的机械支持。结构上，TBI可分为间接和直接插入。间接插入，如内侧副韧带（MCL），通过Sharpey纤维平行附着在胫骨上。相比之下，直接插入，如前交叉韧带（ACL）和肩袖（RC）附着点，通过一个独特的四层梯度界面整合到骨骼中。这一“基线性”线标志着第二层和第三层的区域。尽管这一独特的组织学配置有助于应力转移和耗散，但其也使TBI在过量机械负荷下易于发生不可逆的损伤。

流行病学数据表明，全球每年TBI损伤超过3000万例，且这一数字持续上升。手术干预仍是重建解剖连续性的主要治疗策略，通常辅以血小板富集血浆（PRP）、生长因子、干细胞、外泌体等辅助治疗。然而，术后再生常伴随着显著的结构和功能缺陷。一个普遍存在的问题是纤维血管瘢痕形成，这导致了原生梯度结构的不可逆丧失。这种非生理性的修复模式不仅破坏了界面的生物力学平衡，还显著增加了再撕裂的风险。临床研究表明，RC修复的失败率在20%–94%之间，而ACL重建的失败率在10%–25%之间。这些并发症对患者的康复效果产生负面影响，并增加了二次手术和医疗成本，凸显了当前治疗策略的疗效瓶颈。

研究显示，缺乏个性化的康复方案和该领域创新速度缓慢是限制TBI治疗效果的关键因素。物理疗法，借助其非侵入性、精确靶向性、低免疫原性和成本效益等核心优势，已成为术后TBI康复的重要组成部分。物理疗法包括非侵入性技术，利用声波、机械、电、磁或光能，例如低强度脉冲超声波（LIPUS）、机械刺激、体外冲击波治疗（ESWT）、电刺激、磁场疗法和光疗，以促进组织修复。这些疗法通过创建有利于功能组织再生的生理环境，实现了长期有效的康复。然而，挑战依然存在，包括疗效预测性较差、缺乏通用的治疗方案、治疗范式停滞以及缺乏高质量的临床证据和长期随访支持其疗效。值得注意的是，将物理疗法与先进生物材料科学结合，通过创建协同的“物理能量响应型生物材料”系统，有望实现修复过程的程序化和精确调控。这一创新策略旨在指导界面梯度结构的原位再生，代表了该领域的发展前景。

物理疗法包括声波、光、电、磁、热等物理能量刺激形式。这些疗法可以有效改善肌腱-骨损伤部位的血液循环，加速营养输送，促进细胞代谢，并调节炎症反应以控制瘢痕形成，从而减少局部肿胀和疼痛，创造有利于TBI修复的内部环境。然而，纯物理疗法的治疗效果相对缓慢，难以满足患者快速康复的需求。此外，物理疗法不能完全替代其他治疗手段，通常需要与生物疗法、药物或手术干预结合使用。个体对物理刺激的敏感性也存在差异。同时，物理能量如何被细胞准确感知并转化为复杂的生物信号网络，以及不同物理因素之间的潜在协同或对抗效应尚未明确。这种理解的缺乏限制了个性化治疗的发展。然而，与生物疗法、生物材料和药物相比，物理疗法具有低免疫原性、非侵入性、良好的靶向性和低成本，使其适合作为长期有效的康复方案。更重要的是，这种疗法可以产生多层级、系统的生物学效应，并支持体外能量调控，从而与药物、生物治疗和生物材料协同使用。其能够通过改善微环境和细胞状态来干预复杂的病理过程，高度兼容TBI修复的核心挑战。

值得注意的是，将物理疗法与前沿材料科学和技术相结合，已成为克服上述瓶颈和推动TBI修复领域发展的关键方向。智能生物材料可以作为“智能响应者”和“效应放大器”，响应外部环境刺激（如物理因素、pH值、酶等），并产生可控的物理或化学性质变化。它们在组织工程和再生医学中扮演“智能”调控角色，这种智能主要体现在其程序化响应行为。在本文的背景下，我们特指能够响应物理刺激（如超声波、机械力、电场、磁场、光、温度等）的生物材料。术语“智能生物材料”或“智能材料”与响应型生物材料的概念高度重叠，常在文献中互换使用，都强调材料的主动响应特性。尽管“智能”概念可能更广泛，但在本文中，我们将这两个术语视为同义词。这些定义概念将在后续讨论中保持一致。

低强度脉冲超声波（LIPUS）是临床实践中最广泛使用的低强度超声波形式。作为一种安全且非侵入性的生物物理疗法，它通过低强度脉冲声波（低于100 mW/cm2）产生的机械振动和空化效应，有效改善细胞和组织水平的微变形。LIPUS通过精确调控声波参数（频率、强度和占空比），激活植入的生物材料，从而在无需植入电子设备或化学触发器的情况下实现远程和定向激活。这种策略通过方便的外部参数调整，使患者能够进行日常治疗。LIPUS的靶向干预优势体现在三个方面。首先，超声波具有良好的穿透能力，通过参数优化可以准确将作用范围限定在亚毫米级的TBI目标区域，避免对周围组织的非特异性影响。其次，其动态可调性允许在安全范围内（30–100 mW/cm2）实时调整治疗强度。例如，较低强度（30–50 mW/cm2）可以在早期修复阶段应用，以减少炎症，而较高强度（80–100 mW/cm2）则可在后期阶段使用，以促进成骨和成骨细胞分化。此外，机械效应还可以精确调控材料行为，如药物释放、电荷生成或离子溶解。优化的低强度脉冲模式避免了热损伤风险，支持长期安全使用。这种出色的生物安全性和靶向能力为TBI的精准局部药物释放提供了理想的基石，如将生长因子释放到锚定区域。近年来，已有多种超声波增强的材料技术巧妙地利用了这些优势。

在TBI修复中，LIPUS的应用仍面临诸多挑战。尽管LIPUS在促进TBI修复方面显示出潜力，但其应用仍存在显著的局限性。其核心挑战在于无法独立实现完整组织梯度结构的协调再生，包括肌腱、纤维软骨、钙化软骨和骨组织。目前的研究主要集中在评估单个组织水平（如骨或肌腱）的修复效果，缺乏对重建复杂界面所需协同调控机制的系统性研究。此外，支持LIPUS的临床证据仍然不足，相关研究数量有限且样本量小。一些临床试验表明，LIPUS在改善慢性肌腱病方面没有显著效果。目前的证据表明，LIPUS可能在急性损伤或早期术后干预中具有更大的应用潜力。然而，将动物研究结果转化为人类应用仍然面临重大挑战。人体四肢的皮下脂肪对超声波的衰减效果与常用的陆地动物模型存在显著差异，这使得动物研究结果直接外推到临床实践变得复杂。鉴于单独LIPUS疗法在解决梯度结构再生的复杂需求方面存在不足，未来的研究应优先探索组合策略。将LIPUS与能够模拟界面梯度特性和实现时空可控生物活性信号释放的智能生物材料相结合，可能成为实现TBI完整功能恢复的关键路径。

结合超声波的精确触发特性与生物材料，代表了增强智能输送效能的重要方向，特别是在肌腱-骨修复中。水凝胶因其可注射性、生物相容性、可控降解性和低毒性，在ACL重建动物模型中显示出潜力。这些材料中，外部刺激响应型水凝胶特别受到关注。它们的协同作用依赖于LIPUS作为远程“开关”的角色：LIPUS的机械振动和热效应精确调控聚合物网络的膨胀或收缩行为。它们还可以触发封装药物中的特定化学键（如半缩醛或二硫键）的断裂，从而将材料响应转化为药物释放速率、剂量和持续时间的精确编程。基于这一原理，王佳丽团队开发了超声波响应型水凝胶微球（HMPs），实现了时空精准控制释放技术的突破。通过超声波触发的动态释放，连续24天释放腺病毒，激活CGRP受体以驱动神经-血管-骨的同步再生。这种单一载体系统克服了传统材料的爆发性释放和非靶向释放缺陷，建立了新的界面再生范式。类似地，杜灿灿团队提出了基于超声波响应型脂质-硅酸盐杂化纳米载体（cerasome）的创新解决方案。该方法结合了3D打印的PCL支架与骨髓间充质干细胞（BMSCs），实现了RC撕裂后的功能TBI重建。支架通过PCL熔融制备，平均分子量为80,000 g/mol，熔融40分钟，通过300 μm直径喷嘴挤出，空气压力为2.0 psi，挤出速度为8.0 mm/s（尺寸：4×4×1 mm3），确保结构一致性和可重复性。超声波触发的精确生长因子释放，完全解决了传统直接支架加载的爆发性释放问题。这项技术实现了“载体稳定性、释放精确性和空间特异性”三重突破。其超声波控制释放能力和多向分化诱导效能优于传统方法，不仅为RC修复提供了新的范式，还为骨关节炎等其他疾病的靶向药物输送开辟了新路径。未来的研究应验证大型动物模型中的长期疗效，并探索PCL/AMPK代谢通路在界面再生中的机制。

LIPUS的生物作用机制也存在局限性。尽管已有研究表明，LIPUS能够通过调节关键细胞功能（如巨噬细胞极化、TNF-α和IL-1β的抑制，以及TGF-β通路的激活）来促进TBI修复，但其作用机制尚未完全明确。目前的文献中，关于LIPUS促进TBI修复的分子机制的研究仍显不足。此外，虽然一些研究报道了LIPUS在TBI修复中的局部改善效果，但这些局部效应可能无法决定整体修复结果。这些发现缺乏在大型动物实验和临床研究中的验证。值得注意的是，LIPUS诱导的生物学效应表现出多靶点、多层次的特性，具有协同作用，而非孤立作用。因此，系统阐明LIPUS生物学效应与TBI修复需求之间的动态关系，将有助于更深入地理解其分子机制，为与功能生物材料的协同应用提供理论基础，从而开发出精确调控的组合疗法。LIPUS的作用机制总结如下。

结合超声波的精确触发特性与生物材料，代表了增强智能输送效能的重要方向，特别是在肌腱-骨修复中。水凝胶因其可注射性、生物相容性、可控降解性和低毒性，在ACL重建动物模型中显示出潜力。这些材料中，外部刺激响应型水凝胶特别受到关注。它们的协同作用依赖于LIPUS作为远程“开关”的角色：LIPUS的机械振动和热效应精确调控聚合物网络的膨胀或收缩行为。它们还可以触发封装药物中的特定化学键（如半缩醛或二硫键）的断裂，从而将材料响应转化为药物释放速率、剂量和持续时间的精确编程。基于这一原理，王佳丽团队开发了超声波响应型水凝胶微球（HMPs），实现了时空精准控制释放技术的突破。通过超声波触发的动态释放，连续24天释放腺病毒，激活CGRP受体以驱动神经-血管-骨的同步再生。这种单一载体系统克服了传统材料的爆发性释放和非靶向释放缺陷，建立了新的界面再生范式。类似地，杜灿灿团队提出了基于超声波响应型脂质-硅酸盐杂化纳米载体（cerasome）的创新解决方案。该方法结合了3D打印的PCL支架与骨髓间充质干细胞（BMSCs），实现了RC撕裂后的功能TBI重建。支架通过PCL熔融制备，平均分子量为80,000 g/mol，熔融40分钟，通过300 μm直径喷嘴挤出，空气压力为2.0 psi，挤出速度为8.0 mm/s（尺寸：4×4×1 mm3），确保结构一致性和可重复性。超声波触发的精确生长因子释放，完全解决了传统直接支架加载的爆发性释放问题。这项技术实现了“载体稳定性、释放精确性和空间特异性”三重突破。其超声波控制释放能力和多向分化诱导效能优于传统方法，不仅为RC修复提供了新的范式，还为骨关节炎等其他疾病的靶向药物输送开辟了新路径。未来的研究应验证大型动物模型中的长期疗效，并探索PCL/AMPK代谢通路在界面再生中的机制。

尽管超声波扩展的材料技术在TBI修复领域显示出巨大潜力，但其临床应用仍面临核心挑战，如缺乏深层靶向效率和治疗反应的个体差异。未来的研究应重点开发更先进的协同策略，通过将新型生物材料系统与LIPUS技术整合，以实现突破性进展。这些进展将包括优化声场聚焦和材料响应以提高深层TBI微环境中的时空靶向精度，以及设计LIPUS响应型生物材料以实现对治疗信号的精确控制。同时，应探索和利用LIPUS与生物材料产生的协同“材料-物理-生物”效应，以放大机械生物学信号或增强靶向输送效率。这将涉及开发优化的声场参数控制策略、个体化治疗方案以及下一代性能更优的智能生物材料，以应对深层靶向效率和个体患者差异相关的挑战。这些结合先进生物材料与超声波物理调控的创新策略，将为TBI修复的高效、精确和微创治疗奠定坚实基础，最终促进其临床转化。

机械疗法是指对生物组织施加物理力并产生应变和剪切等信号的干预方式。它是组织发育、修复和稳态的核心调控因素。这些干预方式形式多样，包括系统层面的“运动疗法”（如被动运动和跑步机训练）以及组织/细胞层面的“负荷干预”（如循环拉伸和初始张力）。在发育阶段，机械负荷通过整合素和Piezo等受体感知，激活RhoA/YAP等信号通路，从而精确指导纤维软骨过渡区的形成，驱动梯度细胞分化和基质合成，实现应力分散。受伤后，机械刺激参数成为改善修复质量的关键，通过改善局部微环境、促进干细胞向纤维软骨谱系分化以及增强ECM合成和有序重塑，提高修复效果。在稳态条件下，生理负荷通过平衡的合成和分解过程更新ECM，同时保持细胞表型和机械适应性。相反，机械失用会导致ECM降解、细胞失活和梯度结构破坏。因此，深入研究负荷“剂量-反应”关系（其时空特异性）、靶向信号通路、微环境干预及其相互作用，为恢复TBI的梯度结构和机械强度提供了理论基础。

在TBI修复中，机械负荷的“剂量-反应”关系是核心挑战。不同的机械刺激类型可以引导组织向不同方向分化：拉伸应力主要促进直接纤维修复，而压缩应力更易诱导软骨形成。剪切应力的影响相对有限。这突显了精确匹配负荷类型以达到修复目标的重要性。关于应用时机，强有力的证据表明，避免急性炎症期并在组织修复的适当阶段进行干预，可以显著增强TBI成熟度、骨整合和生物力学性能。相反，早期术后过高的负荷实际上会延迟TBI修复。这突显了早期保护的必要性。关于刺激强度，研究表明存在明显的“剂量-反应”关系：卸载或过度低强度刺激不足以有效激活修复机制。中等强度、逐步增加的机械刺激（与单一高或低强度策略相比）已被证明能更有效地促进胶原蛋白合成、增强组织融合、增加骨量并改善移植物整合。例如，逐步增强的刺激方案和早期术后中等强度的移植物张力已被证明具有益处。此外，术后立即固定结合早期被动运动有助于TBI修复，这种运动方案已被证明是安全的。相反，过度刺激，尤其是在早期阶段，存在组织损伤、修复延迟或移植物退化的风险。临床观察还表明，过度修复张力与较差的修复结果呈线性相关。总之，优化机械刺激以增强TBI修复的策略应优先考虑干预时机、强度和模式。在炎症消退后的修复阶段进行干预被认为是有益的，而逐步增加的中等强度机械刺激是最可行的方法。同时，必须根据目标组织结构选择机械刺激方案。例如，兔ACL重建后连续被动运动（CPM）能增强修复效果，表现为纤维软骨体积增加和最大失效载荷升高。在兔骨隧道的应力分布分析中，拉伸应力促进直接肌腱-骨连接，而压缩应力则促进软骨形成。LMHFV同样有效，能上调兔韧带成纤维细胞的胶原蛋白1α和其他基因表达，增强组织张力。然而，炎症期的精确定义仍需要更多的客观生物或影像学证据来确认。此外，TBI复杂的解剖结构对机械刺激方案提出了更高的要求，这直接关系到最优干预策略的精准指导。未来的研究必须将生物力学监测与个体化评估相结合，以推动康复策略向精准和个性化发展。

LIPUS作为一种非侵入性的生物物理疗法，通过机械振动和空化效应促进组织修复，已被广泛应用于临床。其核心机制在于通过调控细胞和组织的微变形，影响生物过程。然而，其应用仍面临诸多挑战，包括生物机制的不明确、治疗效果的不明确以及生物材料的不足。当前研究指出，LIPUS与生物材料的协同应用在TBI修复中具有潜力。例如，LIPUS响应型智能材料能够实现对修复过程的程序化和精准调控，这可能成为未来TBI修复的重要方向。然而，现有研究仍处于初步探索阶段，需要进一步优化和验证。同时，LIPUS与生物材料的结合在临床转化方面也面临诸多挑战，如参数设置、剂量控制和个体化治疗的实施。未来的研究应进一步探索LIPUS与生物材料的协同机制，并优化其应用方案，以充分释放其治疗潜力。

除了LIPUS、机械负荷、ESWT和电刺激，其他物理因素如磁场、光和温度也显示出在TBI修复中的应用潜力。然而，这些因素的研究仍处于初步探索阶段，关键问题如具体作用机制、精确剂量-反应关系和最佳治疗窗口仍需进一步澄清。目前的证据表明，这些因素在临床实践中主要起到辅助作用，因此本节的讨论深度和广度受到限制。然而，值得注意的是，这些物理因素在生物材料中的生物学效应正在显示出巨大的应用潜力。例如，将磁性纳米粒子、光热材料或温敏水凝胶与组织工程支架结合，可以实现物理信号的靶向、精确和持续释放。这种策略可能为TBI修复提供新的调控方法。自然，这一跨学科领域的研究仍处于早期阶段，其临床转化潜力需要通过进一步研究进行验证。

综上所述，虽然物理疗法在TBI修复中显示出潜力，但其应用仍面临诸多挑战，包括治疗参数的优化、生物材料的协同作用以及个体化治疗方案的制定。未来的研究应重点解决这些问题，以推动物理疗法在TBI修复中的应用。同时，应进一步探索这些物理因素与生物材料的协同机制，开发更先进的智能生物材料，以实现对TBI修复过程的精准调控。这些努力将有助于提高物理疗法在TBI修复中的疗效，减少其副作用，并推动其向临床应用的转化。