功能整合型人工角膜基质替代物：具有胶原基多尺度仿生骨架的Janus生物粘附植入体

为解决角膜移植中供体短缺和手术复杂性等问题，研究人员开发了一种功能整合型Janus人工角膜基质替代物(ACSs)。该研究通过电组装技术构建具有仿生微结构的胶原骨架(EB-Col)，并设计由4-arm-PEG-NHS/ε-PLL组成的"生物水泥"涂层实现湿态组织瞬时粘附(<10 s)。体外实验证实其支持角膜上皮细胞迁移，体内移植显示其能促进无缝合植入、快速上皮化和基质整合。该成果为角膜盲治疗提供了兼具光学性能与临床实用性的新型解决方案，发表于《Bioactive Materials》。

　　

全球有超过1270万人因角膜盲失去光明，每年新增病例超200万例。角膜移植虽是治疗金标准，但面临供体严重短缺（仅1/70患者能获得治疗）和手术复杂性的双重挑战。传统人工角膜基质替代物(ACSs)存在光学性能不足、缺乏仿生结构、依赖手术缝合等问题，常导致术后并发症。如何开发兼具天然角膜光学特性、力学性能和临床易用性的ACSs，成为再生医学领域的重大难题。

针对这一挑战，上海中医药大学等机构的研究团队在《Bioactive Materials》发表创新成果。研究人员通过工程化集成策略，开发出具有多尺度仿生结构的Janus生物粘附植入体。该研究融合电化学组装与生物粘接技术，构建出能模拟天然角膜基质胶原层级结构的替代物，同时实现无缝合植入和快速视觉功能重建。

研究主要采用三项关键技术：1）电组装技术构建具有可控曲率和厚度的EB-Col骨架；2）4-arm-PEG-NHS/ε-PLL"生物水泥"涂层的界面酰胺化反应实现湿态组织粘附；3）结合体外细胞实验和兔角膜缺损模型评估生物相容性与修复效果。

3.1 仿生EB-Col骨架的电制备
通过电化学诱导胶原分子在阴极表面定向组装，形成直径约10 nm的致密微纤维结构，其透光率达90%，且能通过电极曲率和沉积时间精确调控宏观形态。OCT显示制备的EB-Col曲率(43D)与兔角膜天然基质高度匹配。

3.2 "生物水泥"涂层的即时粘附机制
涂层接触水分后发生酰胺化反应，保留的活性NHS酯基可与组织氨基共价交联。ATR-FTIR证实凝胶层形成，荧光微球实验显示其表面保留大量活性结合位点。该粘附界面韧性达46.1 J/m²，爆破压力测试显示其密封性能显著优于商业纤维蛋白胶。

3.3 体外生物学评价
EB-Col表面支持人角膜上皮细胞(HCECs)的粘附增殖，划痕实验显示其迁移速率比培养板快30%。ε-PLL组分使材料对金黄色葡萄球菌的抑菌率达93.6%，显著降低感染风险。

3.4 体内上皮化与整合
兔角膜板层移植模型显示，Janus ACS组术后4周即完成上皮化，比脱细胞猪角膜(CM)组快2周。AS-OCT观察到植入体与宿主基质边界逐渐模糊，8周时完全整合。角膜地形图显示Janus ACS组曲率恢复最佳，接近健康角膜。

3.5 组织学与行为学验证
H&E染色显示植入体内部出现与天然角膜基质相似的扁平状角质细胞，α-SMA表达阴性表明无病理性瘢痕形成。觅食行为测试中，Janus ACS组定位目标时间(28.3±3.5 s)与健康组无统计学差异，显著优于空白对照组(89.6±12.4 s)。

该研究突破性地将Janus概念引入角膜移植领域，通过仿生骨架设计与功能涂层整合，解决了ACSs的三大核心难题：光学性能不足、几何适配性差和手术依赖缝合。EB-Col骨架的纳米级有序结构保障了90%的透光率，电组装技术实现43D曲率的精确调控；"生物水泥"涂层通过界面水分触发酰胺化反应，在10秒内建立稳定粘附，其46.1 J/m²的界面韧性可抵抗眨眼产生的剪切力。动物实验证实，这种一体化设计不仅能加速上皮覆盖，还能促进基质重塑，使术后视觉功能恢复达到健康角膜水平。

相较于传统缝合式移植，Janus ACS将手术步骤从10余步简化为"按压粘附"一步操作，避免缝合相关的炎症和血管化问题。其抗菌特性(ε-PLL释放)和促上皮迁移能力(划痕实验显示迁移率提升1.7倍)进一步降低术后并发症风险。虽然当前研究聚焦于前板层缺损修复，但该技术路线为全层角膜替代物的开发提供了新思路，未来通过优化与内皮细胞的相互作用，有望拓展至穿透性角膜损伤的治疗。这项技术突破不仅为角膜盲患者带来福音，其"结构-功能"一体化设计策略更为其他组织工程替代物的开发提供了范式。