综述：组织工程学中的生物仿生指南

这篇综述系统梳理了组织工程与再生医学（TERM）领域的生物仿生策略，将其分为机械仿生（力学性能匹配）、形态仿生（支架结构模拟）和生物仿生（微环境重建）三大类，重点探讨了材料选择、支架设计、交联剂应用、孔隙调控等关键技术，为开发仿生支架提供了全面指导。

　　

机械仿生：力学性能的精准复刻

每种组织都具有独特的力学特性，从柔软的大脑组织（0.1-16 kPa）到坚硬的皮质骨（19.3 GPa）。机械仿生的核心在于避免力学失配导致的移植失败。通过四种策略可实现力学匹配：

1. 基材选择
聚己内酯（PCL）等慢降解材料能长期维持尿道支架的力学性能，其拉伸强度可从1.8 kPa提升至160 kPa。而聚乳酸-己内酯共聚物（PLCL）与胶原复合时，能模拟天然组织的J形应力-应变曲线。

2. 结构设计
采用螺旋结构的血管支架在4 mm弯曲半径下仍能保持80%管腔直径，而梯度孔隙设计（29.6%-77.6%孔隙率）能模拟骨小梁到皮质骨的力学过渡。负泊松比超材料通过星形镂空单元设计，可实现40-100 MPa的弹性模量调控。

3. 交联调控
明胶甲基丙烯酰（GelMA）-壳聚糖双网络水凝胶通过光交联和碱化双重处理，压缩模量可达116.1 kPa，比单一交联体系提高34倍。但需注意钙离子交联时间过长可能诱发细胞凋亡。

4. 填料增强
添加0.5%还原氧化石墨烯（rGO）使PCL支架压缩模量提升3倍，但过量添加会因颗粒聚集导致性能下降。羟基磷灰石（HA）填充聚氨酯时，40%添加量可使压缩强度提升7倍至4.6 MPa。

形态仿生：解剖结构的微观重现

组织界面
骨-软骨双相支架采用3D打印HA硬质层与透明质酸水凝胶软质层结合，术后2个月仍保持完整连接。自组装软骨层产生的硫酸化糖胺聚糖（sGAG）含量比琼脂糖凝胶高2倍。

孔隙架构
温度梯度冷冻干燥法制备的胶原支架可形成70-180 μm的梯度孔隙，与松质骨结构相似。而3D打印的径向梯度支架（500-1000 μm孔隙）中，小孔隙区域更易促进Runt相关转录因子2（Runx2）表达。

脱细胞基质
超临界CO₂处理的猪气管保留90%胶原II型，移植后15天即出现SOX9阳性软骨细胞。菠菜叶脉网络作为血管模板，能支持人脐静脉内皮细胞（HUVECs）形成连续单层。

生物仿生：微环境的动态模拟

细胞粘附优化
聚多巴胺（PDA）涂层使聚乳酸（PLA）支架的血管生成因子表达提升3倍。密度匹配接种法使PEOT/PBT支架细胞分布均匀度提高80%，矿化程度增加2倍。

动态培养
5%低氧环境使脂肪干细胞软骨特异性胶原II表达量比常氧组高50%，同时抑制肥大标志物X型胶原。肺组织模型的气-液界面培养使紧密连接蛋白ZO-1表达量提升4倍。

生长因子控释
点击化学固定的BMP-2模拟肽在21天内持续释放，使骨钙素表达达到游离BMP-2组的90%。负载NGF的肝素-壳聚糖支架使雪旺细胞突触数量增加3倍。

脱细胞ECM水凝胶
超临界CO₂/乙醇处理的心脏ECM保留VEGF-B等生长因子，移植3天即出现新生血管。20 mg/mL脱细胞肝ECM水凝胶支持胆管细胞形成复杂分支结构，刚度控制在1000 Pa以内。

未来展望

当前挑战在于如何整合三大仿生维度：开发兼具骨组织刚度（GPa级）与软骨生物活性（SOX9+）的梯度材料；创建含毛细血管网络（<10 μm）的毫米级器官；建立动态培养标准（如肺组织的15%循环应变）。值得注意的是，临床中自体移植（如隐静脉替代动脉）的成功案例提示：精准仿生并非绝对条件，但优化仿生程度可显著改善预后（桡动脉移植5年存活率比隐静脉高22%）。下一代生物反应器与模块化生物制造技术将推动仿生支架向临床转化迈进。