肌腱-骨骼界面：大自然在硬-软界面问题上的解决方案

《Annals of Anatomy - Anatomischer Anzeiger》：Tendon-Bone Interface - Nature′s Solution for a Hard-Soft-Interface

腱骨接合处通过几何优化（纤维变细与分支）、组成梯度化（胶原蛋白类型转变）和机械异质化（刚度梯度）解决软硬材料连接的应力集中问题，为生物材料工程和再生医学提供启示。

　　

Rainer Burgkart

慕尼黑工业大学伊萨尔河右岸医院骨科与运动骨科系，Ismaninger Str. 22，81675 慕尼黑，德国

摘要

引言

肌腱-骨骼连接是自然界中最优雅的解决方案之一，用于连接柔软和坚硬的材料。将具有柔顺性的肌腱组织（弹性模量约为0.5 GPa）与坚硬的骨骼（弹性模量约为20 GPa）连接起来，由于界面处的应力集中，这是一个基本的工程挑战。经过数百万年的进化，肌腱-骨骼连接处形成了复杂的结构和成分梯度，使得在承受数百万次载荷循环的同时仍能实现高效的载荷传递。

主要内容

本文综合了最近在理解肌腱-骨骼连接处的微观结构、机械行为和分子组成方面的进展，重点关注跟腱-跟骨界面。这一界面具有三种关键的进化策略：(a) 在约500微米宽的区域内，肌腱纤维从直径为105微米逐渐细化为13微米的纤维，然后附着在骨骼上；(b) 成分逐渐变化，胶原蛋白从I型（肌腱）转变为主要是II型（界面）；(c) 机械异质性，较高的界面柔顺性有助于能量耗散和生物力学稳定性。蛋白质组学分析鉴定出超过400种界面蛋白，其中22种在肌腱-骨骼连接处显著富集。谱系追踪显示Gli1+前体细胞对再生至关重要，而转录组学表明该界面更类似于关节软骨而非肌腱。这些见解为仿生材料设计和组织工程策略提供了支持。

结论

理解自然界在硬-软界面设计上的原理为下一代生物材料和再生疗法提供了蓝图。空间组学、先进成像和计算建模方面的未来进展将继续揭示这一非凡组织的秘密，激发材料科学、工程学和医学领域的创新。

引言

本文综合了最近在理解肌腱-骨骼连接处的微观结构、机械行为和分子组成方面的进展，重点关注跟腱-跟骨界面。

首先，需要解释为什么硬-软界面会带来这样的挑战。将具有截然不同机械性能的材料连接起来，在工程学和生物学中都是一个基本难题。当像肌腱这样柔顺的材料（弹性模量约为0.5 GPa）必须将力从多个不同的插入角度传递到像骨骼这样坚硬的基底（弹性模量约为20 GPa）时，界面处的应力集中会导致灾难性的失效（图1a和b）。这个问题普遍存在：从电缆插入（例如弹性电缆到坚硬的工具箱）到航空航天复合材料，创建耐用的硬-软界面仍然是一个关键挑战。

然而，自然界在肌腱-骨骼连接处以惊人的优雅方式解决了这个问题——即所谓的肌腱-骨骼连接处（Rossetti等人，2017年；Kuntz等人，2018年）。每次我们行走、跑步或跳跃时，跟腱都必须将超过我们体重数倍的力量从柔顺的肌腱组织传递到坚硬的跟骨。尽管在 lifetime 中经历了数百万次载荷循环，但在健康个体中，这个界面很少出现故障。如果发生断裂，更值得注意的是，断裂几乎从不发生在软-硬界面处，而是：(1) 在成人中，断裂发生在肌腱插入点前方20至40毫米处；而在儿童中，(2) 发生跟骨插入点下方的骨撕脱性骨折（图1c）。

进化是如何实现这种卓越的耐用性的呢？答案在于一种复杂的多尺度策略，它在界面处无缝整合了结构、成分和机械梯度（Benjamin和McGonagle，2009年；Genin等人，2009年；Lu和Thomopoulos，2013年；Rossetti等人，2017年；Kuntz等人，2018年）。理解这些自然设计原理不仅阐明了肌肉骨骼生物学的基本方面，还可以为开发下一代生物材料和组织工程支架提供灵感（Sensini等人，2021年；Xie等人，2025年）。

节选

自然的解决方案：肌腱-骨骼连接的进化设计

哺乳动物的肌腱-骨骼连接是一种高度专业化的解剖结构，它经过进化以适应运动的机械需求。进化并没有采用肌腱和骨骼之间的突然过渡，而是形成了一个约500微米宽的渐变界面区域。这个过渡区在几何形状、成分和细胞表型上表现出精心安排的变化（Lu和Thomopoulos，2013年；Rossetti等人，2017年；Kuntz等人，2018年）。

超出插入部位

结论

肌腱-骨骼连接展示了进化如何通过跨多个长度尺度的优雅设计原则解决了材料科学中的基本挑战（Benjamin和McGonagle，2009年；Genin等人，2009年；Lu和Thomopoulos，2013年；Rossetti等人，2017年）。几何精细化、成分渐变和机械异质性的结合创造了一个能够承受数百万次载荷循环的坚固界面。理解这些自然策略不仅

伦理批准

本文不需要伦理批准，因为它不收集新的数据，也不直接涉及人类受试者。它只是对现有文献的总结和解释，并未进行新的实验研究。

资金声明

作者参加Leopoldina研讨会所需费用由Novartis、Sanofi、BICL、Formation Bio、NBCD、TRB Chemedica和Scanco提供。这些资金来源没有参与本文的撰写、设计、内容或解释，也没有任何资金用于本文的写作。

CRediT作者贡献声明

Rainer Burgkart：撰写、审稿和编辑；

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Rainer Burgkart：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，方法学，资金获取，数据管理，概念化。

声明写作过程中使用的生成式AI和AI辅助技术

在写作过程中使用了生成式AI和AI辅助技术来提高手稿的可读性和语言表达。这些工具是在人类监督和控制下应用的，并经过了仔细的审查和编辑。作者对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

Rainer Burgkart自2024年起担任Chondrometrics GmbH的科学顾问委员会成员，该公司为学术研究人员和制药行业提供磁共振成像分析服务。他因这一职位并未收到任何财务支持。

致谢

我想借此机会表达我对我的工作小组以及我们的合作伙伴们的许多宝贵研究贡献和承诺的衷心感谢，他们为这项工作奠定了科学基础。特别感谢以下人员：Lara Kuntz、Leo Rossetti、Josef Stolberg-Stolberg、Jutta Tübel、Wolfgang Wall、Franz Pfeiffer和Andreas Bausch。这项研究得到了DFG-Excellence Initiative和国际研究生项目的支持。