可调节刚度的羧甲基壳聚糖微针贴片调控无瘢痕伤口修复的力学机制

针对伤口修复中机械微环境调控与瘢痕形成的矛盾问题，研究人员通过基因交联羧甲基壳聚糖（CMCS）构建刚度可调的微针（MNs）贴片，发现高刚度贴片加速早期愈合（闭合率3.55×10?2 vs 5.38×10?2, p=0.029），但促进成纤维细胞增殖（8.70×10?1 vs 6.60×10?2, p<0.0001）和肌成纤维细胞分化（0.58 vs 0.44, p<0.0001），而低刚度贴片更利于无瘢痕修复，为分阶段设计力学适配型MNs提供新策略。

　　

皮肤伤口修复一直是全球医疗领域的重大挑战。尽管伤口愈合通常经历炎症、新生组织形成和重塑三个阶段，但最终往往伴随瘢痕形成。这些瘢痕不仅影响美观，还可能导致功能障碍，甚至发展为增生性瘢痕和瘢痕疙瘩等纤维增生性皮肤疾病，给患者带来瘙痒、慢性疼痛和肢体活动受限等困扰。尤其值得注意的是，这些病变好发于胸部、关节和上背部等长期承受机械应力的部位。现有研究表明，伤口的机械微环境通过调控成纤维细胞（fibroblasts）和肌成纤维细胞（myofibroblasts）的活性，在增生性瘢痕形成中扮演关键角色。机械应力可激活PI3K/AKT和MAPK通路，减少成纤维细胞凋亡并促进其向肌成纤维细胞分化，进而通过TGF-β1/Smad通路加剧细胞外基质中ED-A纤连蛋白和胶原的异常沉积，最终导致病理性纤维化。

当前针对增生性瘢痕的力学干预手段包括压力衣、压迫面罩和肉毒杆菌毒素A注射等，但这些传统方法存在个体化压力范围难以确定、并发症风险高等局限性。近年来，微针（microneedles, MNs）技术因其在调控伤口机械微环境方面的潜力成为研究热点。然而，现有MNs设计多聚焦于载药抑制机械转导通路或模拟皮肤松弛装置，对MNs自身力学特性如何影响伤口修复的机制仍缺乏系统探索。

为阐明MNs刚度与伤口修复及纤维化抑制的关系，并设计适用于不同愈合阶段的MNs贴片，北京航空航天大学的研究团队开发了一种由羧甲基壳聚糖（carboxymethyl chitosan, CMCS）和基因交联的新型MNs贴片。通过调整基因与CMCS的摩尔比（1:50至1:1000），实现了贴片刚度的精准调控。研究结合有限元分析、体外成纤维细胞共培养和体内动物实验，系统评估了不同刚度MNs贴片对伤口闭合速率、纤维化标志物表达的影响，相关成果发表在《Journal of Biomechanics》。

关键技术方法包括：1）通过模板法制备不同基因/CMCS摩尔比（1:50-1:1000）的MNs贴片；2）采用有限元建模分析贴片闭合伤口的应力-应变分布；3）建立大鼠全层皮肤缺损模型比较不同刚度贴片的愈合效果；4）通过共培养实验检测贴片刚度对成纤维细胞增殖、肌成纤维细胞分化的影响。

Fabrication and characterization of MNs patch
研究通过基因与CMCS氨基基团的交联反应（图1A），成功制备了刚度可调的MNs贴片。高交联组（基因/CMCS-50至-200）的杨氏模量和拉伸强度显著高于低交联组（基因/CMCS-400至-1000），溶胀后MN100的模量超过人体软组织报道值，而MN400则低于该阈值。这种刚度差异为后续力学-生物学关联研究奠定了基础。

Discussion
有限元分析显示，高刚度MNs贴片能更有效减小伤口面积，但会增加伤口周围应力。动物实验证实，高刚度贴片加速伤口闭合（闭合率3.55×10^?2±8.81×10^?3 vs 低刚度组5.38×10^?3±3.68×10^?3, p=0.029），但显著促进成纤维细胞增殖（8.70×10^?1±9.32×10^?2 vs 6.60×10^?2±2.28×10^?3, p<0.0001）和肌成纤维细胞分化（0.58±6.85×10^?3 vs 0.44±1.14×10^?2, p<0.0001），导致胶原沉积增加。相反，低刚度贴片通过减轻机械应力抑制纤维化通路激活，促进无瘢痕修复。

Conclusion
该研究首次系统揭示了MNs刚度与伤口修复效果的动态关系：早期愈合阶段需要较高刚度以加速闭合，而后期则需降低刚度以抑制纤维化。这种时变刚度需求提示未来可开发"智能响应型"MNs贴片，通过材料设计实现刚度随愈合进程自适应调节。研究成果不仅为理解力学-生物学耦合机制提供新视角，更为临床实现无瘢痕愈合提供了可转化的技术方案。

（注：全文解读严格基于原文，未添加非原文信息；专业术语首次出现时均标注英文缩写；上下标格式按原文保留；作者单位采用中文名称；去除了文献引用标识）