综述：基于明胶甲基丙烯酰基水凝胶的刚度可控支架在组织修复与重建中的研究进展

这篇综述系统阐述了光交联明胶甲基丙烯酰基（GelMA）水凝胶通过调控交联密度、纳米材料复合、光聚合参数优化等策略实现刚度精准调控，揭示了其通过整合素信号通路、细胞骨架重塑及YAP/TAZ转录因子等力学传导机制调控细胞行为，并展望了在骨/皮肤/心脏/神经组织工程中的仿生应用前景。

　　

合成、结构与功能：GelMA的生物学优势
明胶甲基丙烯酰基（GelMA）水凝胶因其保留精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）三肽和基质金属蛋白酶（MMPs）降解序列，成为组织工程的核心平台。其三维网络结构通过光交联形成，可模拟天然细胞外基质（ECM）的力学与生化特性，但纯GelMA的机械强度不足需通过化学修饰弥补。

刚度调控策略：从分子设计到纳米复合

1. 交联密度调控：通过调整甲基丙烯酰化程度（DoM）和紫外光强度，可使其弹性模量在0.1–100 kPa范围内精确匹配脑组织（0.1–1 kPa）、肌肉（8–17 kPa）或骨（25–40 kPa）的力学特性。
2. 纳米增强：引入纳米羟基磷灰石（nHA）或氧化石墨烯（GO）可将压缩模量提升300%，同时赋予导电性以促进心肌细胞同步跳动。
3. 动态光交联：采用可见光引发剂（如LAP）替代传统Irgacure 2959，可减少细胞毒性并实现深层组织交联。

力学传导机制：细胞如何"感知"刚度
细胞通过黏着斑（Focal Adhesions）感知基质刚度后，触发机械信号级联反应：

• 整合素-黏着激酶（FAK）通路：高刚度激活RhoA/ROCK信号，促进应力纤维形成；
• YAP/TAZ核转位：在刚性基质中，YAP/TAZ易位入核驱动成骨分化，而软基质中胞质滞留诱导神经分化；
• 表观遗传调控：刚度依赖的DNA甲基化修饰可长期影响干细胞记忆。

组织工程应用：从仿生到功能重建

• 骨修复：含nHA的40 kPa GelMA支架促进成骨标志物（Runx2、OCN）表达，缺损修复效率提高2倍；
• 皮肤再生：8 kPa梯度支架引导角质形成细胞定向迁移，加速伤口闭合；
• 心肌补片：导电GO复合的15 kPa水凝胶恢复梗死区电机械耦合；
• 神经导管：1 kPa微沟槽支架支持轴突延伸速率达50 μm/天。

挑战与未来方向
当前需解决刚度与降解动态匹配问题，例如开发双重响应水凝胶以同步力学支持与缓释生长因子。通过结合类器官技术与机器学习，有望实现个体化组织构建的临床转化。