《Biomaterials》：A biomimetic urethral scaffold with spatiotemporally coordinated functions promotes scar-free urethral healing through barrier protection and regenerative microenvironment remodeling
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摘要尿道上皮的完整性对于实现功能性尿道重建至关重要。一旦该结构遭到破坏，受伤部位持续处于恶劣的尿液微环境中，会引发炎症反应，阻碍上皮再生，进而导致纤维化及尿道功能障碍。在本研究中，我们设计了一种具有时空协调功能的仿生尿道支架，能够在早期提供屏障保护，后期实现无疤痕的尿道重建（称为
摘要
尿道上皮的完整性对于实现功能性尿道重建至关重要。一旦该结构遭到破坏，受伤部位持续处于恶劣的尿液微环境中，会引发炎症反应，阻碍上皮再生，进而导致纤维化及尿道功能障碍。在本研究中，我们设计了一种具有时空协调功能的仿生尿道支架，能够在早期提供屏障保护，后期实现无疤痕的尿道重建（称为PTAA支架）。该支架的管腔层通过硫辛酸与蒜素之间的共价交联形成，以此模拟尿道上皮的屏障功能，有效抵御尿液侵蚀和细菌感染，为修复初期提供保护。而再生层则是由原儿茶醛修饰的SIS多功能支架构成，它能模仿尿道黏膜下层的多孔结构，为组织提供类似细胞外基质的再生微环境。体内实验表明，该支架能够显著加速尿道上皮再生，保持尿道通畅，同时减少纤维化沉积，从而实现功能恢复。进一步的转录组分析显示，该支架可通过重塑再生微环境来减轻尿液引发的炎症反应，并激活上皮再生机制，为无疤痕尿道愈合创造有利条件。这种时空协调的设计使得尿道重建能够在原位有序进行且无疤痕形成，为分阶段尿道修复提供了概念验证。
引言
尿道上皮是一种特殊的管腔屏障，能够保护下方组织免受尿液带来的损害以及微生物侵袭，从而维持组织稳态并促进再生[1]、[2]。一旦这一屏障被破坏，下方组织就会持续暴露在恶劣的尿液微环境中，其中的各种尿液成分和细菌感染会引发炎症，阻碍上皮再生，还会使组织易于发生纤维化重构和狭窄形成[3]、[4]、[5]。因此，构建一种能够模拟上皮屏障功能、隔离尿液微环境并促进无疤痕愈合的功能化屏障支架至关重要。
虽然模拟尿道上皮屏障是实现无疤痕尿道修复的必要条件，但还不够；要防止纤维化，建立良好的再生微环境同样重要。再生微环境包含多种成分，如细胞分泌物、细胞间相互作用以及信号分子[6]。这一复杂的系统能够提供天然的微环境和分子信号，从而显著调控细胞分化和组织再生[7]。尿道损伤后，持续的炎症、氧化应激、新生血管生成不足以及代谢支持不够都会破坏再生微环境，进而可能导致尿道出现不可逆的瘢痕形成。因此，理想的用于实现无疤痕尿道修复的组织工程支架应具备以下特点：1）将受损组织与恶劣的尿液微环境隔离开来，避免尿液造成的损伤和细菌侵袭；2）构建良好的再生微环境，促使尿道伤口从炎症期过渡到增殖期；3）支架需具备良好的机械强度以及类似细胞外基质的结构，为构建良好的再生微环境提供结构基础。
小肠黏膜下层由于在结构上与天然尿道相似，且保留了天然细胞外基质的生物化学成分，因此非常适合用于体内尿道修复，是构建再生微环境的理想支架[8]、[9]。然而，小肠黏膜下层本身的物理化学性质与天然尿道并不完全一致，这可能会导致修复失败甚至出现阻塞情况[10]。目前针对小肠黏膜下层的改性方法主要包括复合材料制备[11]、[12]、细胞接种[13]、[14]、多酚功能化处理[15]，以及物理或化学交联方法[16]、[17]。在我们之前的研究中发现，原儿茶醛修饰能够提升小肠黏膜下层的机械性能和抗氧化能力，有助于实现无疤痕的尿道重建[18]。不过，经过原儿茶醛修饰后的小肠黏膜下层仍然具有纤维状多孔结构，无法有效阻挡尿液侵蚀和细菌入侵。因此，有必要在原儿茶醛/小肠黏膜下层支架的一侧添加屏障层，以降低尿液渗透率、阻止细菌侵入，同时保留其促进再生的功能。
疏水性的硫辛酸是一种天然的理想构建材料，其分子结构中的动态二硫键可通过动态共价开环聚合反应轻松形成半结晶网络[19]、[20]。此外，其侧链上丰富的羧基使得基于聚硫辛酸的超分子聚合物具有很强的材料粘附性，还能对酸性尿液中的氢离子作出反应，进一步提升材料在长期酸性尿液冲刷下的疏水性[21]、[22]。不过，由于存在逆向闭环降解现象，由此形成的聚硫辛酸处于亚稳态，这可能会降低其机械强度，进而影响其作为生物材料的应用潜力[23]、[24]。为了解决聚合硫辛酸的亚稳态问题，我们首次采用了蒜素，通过自由基反应（自由基加成和巯基反应）使超分子硫辛酸的末端自由基发生反应，从而通过共价交联增强网络的稳定性。而且，蒜素本身是一种天然的疏水分子，还含有碳碳双键，这些特性都能进一步提升聚硫辛酸的疏水性[25]。与此同时，蒜素还具有出色的抗菌、抗氧化和免疫调节作用，能够有效防止细菌感染，促进组织愈合[26]。
为了解决尿道修复过程中早期屏障保护和后期组织再生这两方面的需求，我们设计了一种具有时空协调功能的仿生尿道支架，可实现无疤痕愈合（称为PTAA支架）。该支架的管腔层直接与尿道管腔相接，是面向尿液的保护界面，通过硫辛酸与蒜素之间的共价交联形成。这一层能够模拟天然尿道上皮的屏障功能，在尿道修复的早期阶段保护下方的再生支架，使其免受尿液侵害和细菌侵袭。而与组织接触的再生层则由原儿茶醛修饰的SIS多功能支架构成，它能够模仿尿道黏膜下层的多孔结构，为组织提供类似细胞外基质的微环境，从而在修复后期促进组织重塑。通过这种时空协调的设计，该支架能够实现原位、有序且无疤痕的尿道重建，为分阶段尿道修复提供了概念验证，也为开发下一代可用于临床应用的仿生组织工程尿道移植物奠定了良好基础。
章节节选
时空协调型仿生支架的制备与表征
图S1展示了用于制备基于聚硫辛酸的聚合物的无溶剂加热法。将硫辛酸粉末加热到80°C数分钟后，就会形成透明且粘度较低的聚硫辛酸聚合物。稍作静置后，由于末端自由基引发的逆向闭环降解反应，半结晶状的聚硫辛酸低聚物会自发形成。如图S2所示，加入蒜素后可以使聚硫辛酸聚合物稳定为均聚物形态
结论
本研究成功开发了一种具有时空协调功能的仿生尿道支架，可用于实现无疤痕的尿道重建。该支架的再生层位于尿道损伤部位，能够调控再生微环境，减轻修复初期的氧化应激和炎症反应，同时加速伤口从炎症期向增殖期和重塑期的过渡。而PTAA支架的管腔层则朝向
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益关系或个人关系。
CRediT作者贡献说明
谢慧琪：写作——审阅与编辑，可视化，监督，研究，资金获取，概念构思。张文倩：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，资源准备，方法设计，正式分析，数据整理，概念构思。李勤进：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，方法设计，正式分析，数据整理。黄丽平：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，
数据可用性声明
本文中用于验证研究结论的所有数据均存在于正文及/或补充材料中。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32530058）、四川省科技计划项目（编号：2024NSFSC0002、2025ZDZX0099），以及四川大学所属西华医院的1.3.5优势学科项目（编号：ZYGD23037）的共同资助
黄丽平|张文倩|李勤进|廖鹏|刘远|沈志学|吴晨宇|谢慧琪
中国四川省成都市四川大学西华医院骨科手术科、骨科研究所、干细胞与组织工程研究中心、生物治疗国家重点实验室，邮编：610041
