用于前十字韧带重建的多级螺旋细菌纤维素支架中力学性能与生物活性的结构编码

《Science Bulletin》：Structural encoding of mechanics and bioactivity in a multilevel helical bacterial cellulose scaffold for anterior cruciate ligament reconstruction

　　

摘要

韧带重建需要同种异体移植物既能承受生理载荷又能促进骨隧道内的牢固生物整合，但当前临床材料无法同时实现这两点。在此，我们提出了一种基于细菌纤维素（BC）的多尺度螺旋仿生韧带（BC-MSBL），通过合理的结构设计实现了力学强度与生物整合的兼顾。该移植物采用芯鞘结构，由预拉伸并扭转的芯部和包裹在外面的鞘部组成，鞘部在张力作用下发生渐进式展开和纤维拔出，从而实现稳定的能量耗散。该纯BC体系拉伸强度约为217 MPa，疲劳寿命超过10⁶个循环，与商用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基人工韧带相当，且优于传统天然和合成可降解支架。此外，经工程化的螺旋微沟槽（S_a ≈ 0.4 μm）建立了各向异性形貌，激活Piezo1介导的Ca²⁺内流和下游MAPK–AP-1信号通路，从而协调成骨、血管生成和基质重塑级联反应。体内实验中，BC-MSBL显著减轻了骨隧道扩大，促进了血管化骨-韧带整合，拔出强度接近天然组织，并恢复了运动功能。我们的研究结果确立了结构引导的机械-生物设计作为韧带修复的强有力策略，为下一代再生植入物提供了变革性框架。

引言

前交叉韧带（ACL）重建需要同种异体移植物能够同时提供力学稳定性和支持生物整合，但目前的临床材料尚未解决这一问题 [1], [2], [3], [4], [5]。自体移植物具有良好的生物相容性，但会引起供区并发症并损害供体组织。异体移植物避免了供体损伤，但通常存在免疫排斥和整合缓慢的问题 [6]。合成移植物，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料，可以提供较高的初始强度，但缺乏用于骨整合所需的生物活性表面，通常导致隧道扩大、纤维包裹和松动 [1], [5], [7]。因此，关键问题不仅仅是强度或生物相容性中的任何一方，而是在循环载荷下移植物-骨界面的稳定愈合，这是长期ACL重建失败的主要原因 [3], [8], [9], [10]。

已探索各种策略来解决这一问题，包括纤维编织 [11], [12]、静电纺丝束 [3], [13], [14]、可降解共聚物 [15], [16]和生物基复合材料 [2], [17], [18], [19], [20]。这些策略可以提高拉伸强度或疲劳抗性，但大多数仍然只解决了部分问题 [8], [19], [20]。合成移植物可以实现高强度和耐久性，但通常缺乏动态适应性和细胞指导性表面 [1], [18], [19]。天然聚合物生物活性更强，但其在反复载荷下的加工性和机械稳定性往往受限 [19], [20]。因此，很少有设计能够重现天然韧带的机械和生物层次结构 [4], [8], [21]。需要一种能够通过受控变形耗散能量，同时将机械线索转化为再生信号的材料 [2], [22], [23], [24]。

天然ACL通过分层螺旋结构结合强度、韧性和机械敏感性 [8], [21], [25]。其胶原纤维在应变下展开并滑动，从而在保持延展性的同时耗散能量 [4], [21], [22]。有序的螺旋结构还产生定向应力场，微纳米级表面特征提供形貌线索，与基质硬度和生化信号一起通过机械转导影响干细胞命运 [26], [27], [28], [29]。因此，理想的韧带移植物应重现这种多尺度螺旋组织，不仅是为了模拟天然组织的力学特性，也是为了提供能够指导细胞行为的表面 [8], [21]。BC是实现这一目标的理想平台，因为其结晶纳米纤维网络结合了高模量和生物相容性，并且可以通过扭转和缠绕形成具有确定表面形貌的稳定分层螺旋结构 [30], [31], [32]。这种力学强度与结构可调性的结合使BC成为重建天然ACL耦合力学和生物功能的有前景的候选材料 [19], [22]。

基于上述原理，我们设计了一种分层螺旋细菌纤维素支架——BC多尺度螺旋仿生韧带（BC-MSBL），以解决传统韧带移植物中力学耐久性与生物活性之间的权衡问题。通过扭转和轴向缠绕，BC-MSBL将单螺旋束整合到多尺度结构中，将载荷耗散与细胞指导性表面相结合。这种结构程序设计赋予拉伸强度、疲劳抗性和能量吸收的显著提升，源于螺旋应力重新分布和渐进式纤维滑动的耦合机制。在生物学方面，BC-MSBL的各向异性微沟槽促进Piezo1介导的Ca²⁺内流和MAPK/AP-1信号传导，与成骨、血管生成和基质重塑反应相关。在大鼠ACL重建模型中，BC-MSBL改善了骨-韧带整合，减少了隧道扩大，并恢复了步态功能。综上所述，这些发现表明，通过多层螺旋结构进行结构程序设计，可以使单一成分材料满足韧带再生的力学和生物学需求。

章节摘要

BC和仿生韧带支架的制备

细菌纤维素（BC）水凝胶的制备通过在28 °C静置培养Acetobacter sp. ATCC 53582 6天，随后用NaOH和HCl纯化，并彻底冲洗至中性pH [33]。均匀的BC条带（5 mm × 10 cm）使用精密扭转装置（DP200A，SUNOM）以每10 cm 40-80转（T）的密度进行预拉伸和扭转，以获得基于BC的螺旋仿生韧带（BC-SBL）。对于多级支架（BC-MSBL），将两条BC-SBL

优化的螺旋扭转赋予BC束高拉伸强度和疲劳抗性

在构建分层螺旋结构之前，我们首先确定了BC起始材料的基线性能。FTIR和热重分析确认了其化学纯度和热稳定性（图S1在线），表明材料不含加工污染物，且在后续扭转和缠绕所需的条件下是稳定的。基于此验证平台，我们进一步研究了结构重构——特别是从随机

现有韧带移植物的局限性及分层设计的必要性

韧带重建仍然是一个重大的临床挑战，因为目前可用的移植物很少有能满足持久功能所需的长期力学和生物学要求 [4], [42]。合成移植物，特别是基于PET和UHMWPE基材料的移植物，旨在解决天然基质强度有限的问题；然而其生物惰性表面经常导致纤维性包裹、骨隧道扩大和韧带-骨

结论

总之，本研究提出了一种基于BC的多级螺旋支架，在单一材料平台中集成了仿生层级结构、有利的力学性能和形貌诱导的生物活性，从而解决了人工韧带设计中力学耐久性与生物功能之间长期存在的权衡问题 [42]。在力学方面，该支架提供了有效的载荷传递、疲劳抗性和能量耗散行为，更接近

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（82673114、82572836和62671382）、国家重点研发计划（2024YFA0919200）、重庆市自然科学基金（524Z28G6和5175zA327A）以及陆军军医大学第一附属医院研究项目（424Z2Q2和2025BQTJ2-3）的资助。作者衷心感谢陆军军医大学第一附属医院的以下专家或医生

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