综述：多模态力学调控策略促进组织再生

　　本综述系统阐述力学微环境（机械刺激、ECM力学特性及拓扑结构）通过调控细胞行为（形态、增殖、分化与迁移）促进组织再生的前沿进展。重点探讨多模态策略（如刚度/粘弹性调控+力学加载+拓扑工程）在骨、椎间盘及心脏再生中的应用，为精准组织工程提供新范式。

　　

2. 生物组织的复杂力学微环境

人体组织处于高度复杂的力学环境中，主要体现在机械载荷的多样性、组织力学特性的异质性以及拓扑结构的变异性三个维度。这些维度相互交织，共同调控组织在生理和病理状态下的力学行为与功能表现。

3. 力学调控策略促进组织再生

3.1. 外部机械刺激

细胞在体内持续承受肌肉收缩、血流、呼吸和运动产生的动态机械力。通过体外模拟这些力（如拉伸应力、压缩应力和流体剪切应力）对促进组织再生至关重要。例如，Wang等通过可调纵向循环拉伸装置对纤维环细胞（AFCs）施加5%应变、0.5 Hz的拉伸24小时，发现其通过激活YAP活性和抑制NF-κB信号通路发挥抗炎作用。Maghin等使用定制生物反应器证明拉伸力可正向调控ECM重塑和成纤维细胞过度生长，加速肌肉损伤修复。Zhou等通过生物反应器对细胞-支架复合材料施加1 Hz频率、0.06–0.94 MPa幅度的循环压缩加载，研究机械负载对间充质干细胞炎症反应的影响。Liu等则利用平行板流动装置模拟脉动剪切（PS）、层流剪切（LS）和振荡剪切（OS），探究盘状结构域受体1（DDR1）在血管内皮细胞响应剪切流中的作用。

3.2. 基质的力学特性

细胞外基质（ECM）的力学特性是调控细胞行为和组织功能的关键因素。随着组织工程的发展，研究人员开发了一系列力学特性与天然组织匹配的组织工程材料以促进再生。

刚度是基质最重要的特性之一。Chiang等通过改变丙烯酰胺和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的浓度，将聚丙烯酰胺凝胶的刚度从0.9 kPa调控至74.6 kPa，研究骨骼肌的生物力学特性是否直接影响生肌程序，为改善肌肉减少症中的肌肉再生提供了潜在靶点。

然而，人体中的ECM常表现出粘弹性而非纯弹性行为，其特点是应力松弛——在恒定应变下应力随时间减小。基于此，通过动态共价键策略、主客体相互作用策略和离子配位策略，研究人员开发了具有可调粘弹性的人工ECM。Liu等提出利用小分子3,4-二羟基苯甲醛（DB）作为快速“动态桥”构建基于甲基丙烯酰化明胶（GelMA）的粘弹性水凝胶。通过改变动态键的数量调整水凝胶的粘弹性，发现ECM粘弹性可通过稳定整合素β1激活YAP，从而调控BMSCs的铺展、增殖、成骨和成软骨分化，并促进骨软骨再生；使用与天然软骨粘弹性相似的水凝胶可进一步促进软骨再生。

3.3. 基质的拓扑结构

基质的表面拓扑结构（如粗糙度、微图案和孔径）在调控细胞行为中起关键作用。当前调控基质拓扑的主流策略主要包括光刻、微接触印刷和3D打印技术。通过设计具有特定表面拓扑的基质，可以通过改善细胞粘附、激活相关机械转导通路和调控细胞形态来增强组织再生。

然而，天然ECM并非静态信号库，它会随着疾病进展和组织再生而发生时空变化。因此，随着工程技术的进步，一些动态培养平台被开发出来，通过材料对光、温度或其他外场等用户导向刺激的响应来精确控制粘附位点的时空呈现。例如，各种生物相容性形状记忆聚合物（SMPs）可在热、光和溶剂暴露等刺激下恢复形状，从而实现基质拓扑的动态调控。Cimmino等开发了一种基于光响应偶氮聚合物的共聚焦激光技术，当用适当波长的激光束照射时，偶氮聚合物发生构象变化引起微观质量迁移，从而实现基质拓扑的动态调控。

每种拓扑调控技术各有优缺点：光刻因其高分辨率和成熟工艺被广泛用于构建特定拓扑结构，但受限于设备昂贵且无法实现复杂3D结构；光响应聚合物可实现细胞行为的非接触式调控和力学特性的快速调节，但存在稳定性差和潜在光毒性等问题。

4. 多模态力学调控促进组织再生

4.1. 多模态力学调控策略在骨再生中的应用

作为人体的主要机械敏感组织，骨骼对机械刺激的反应高度协调，涉及多种骨细胞通过多条信号通路的特殊相互作用。因此，骨骼系统成为多模态力学调控策略探索最广泛的领域。Yu等通过组装微图案胶原膜制备了具有角铺层结构特征的仿生多层细胞-胶原构建体，在其上培养MC3T3-E1细胞并施加0.5%频率、5%伸长率的循环拉伸。这种结合表面拓扑和外部机械刺激的多模态力学调控策略可引导细胞排列，促进细胞分化、ECM合成，并在小鼠颅骨缺损模型中促进骨再生。

随着压电材料的最新进展，电信号在骨修复中的重要性日益得到认可。因此，越来越多的研究人员将电刺激与其他力学调控策略结合应用。Sun等开发了BaTiO₃微柱阵列，其拓扑结构可与电刺激结合，通过增强BMSCs中机械感应整合素α5的簇聚，促进BMSCs的铺展、细胞骨架重组、粘附斑成熟和成骨分化，为骨再生提供了一种新型多模态力学调控策略。

4.2. 多模态力学调控策略在椎间盘再生中的应用

椎间盘作为重要的负重组织，包含三个不同区域：髓核（NP）、纤维环（AF）和软骨终板（CEPs）。在椎间盘退变（IVDD）进展过程中，ECM组成改变和纤维化组织形成引起力学微环境的显著变化。因此，许多研究设计了各种多模态力学调控策略用于IVDD治疗，并显示出显著疗效。Cai等开发了一种粘弹性适配的双网络水凝胶，结合循环压缩，该水凝胶可通过抑制IL-17信号通路有效减少退变微环境并促进NP再生，为IVDD治疗提供了一种结合ECM力学特性调控和外部机械刺激的多模态力学调控策略。

此外，作为IVD的重要组成部分，AF组织再生对IVDD治疗至关重要。由于纤维环结构复杂，可分为内、中、外区，不同区域的 tissue architecture和细胞亚群存在显著差异。因此，各种多模态力学调控策略被用于调控纤维环来源干细胞的 differentiation，为IVDD治疗中的纤维环修复提供了潜在治疗解决方案。Chu等开发了一种具有可调刚度和拓扑结构的聚(醚碳酸酯 urethane)urea纳米纤维支架，通过调控基质刚度和拓扑的多模态力学调控策略，研究人员成功诱导纤维环来源干细胞表达 outer and inner AF表型标志基因。在此基础上，研究人员进一步利用设计用于匹配纤维环组织修复所需生物力学特性的纳米纤维支架，通过加载能够调控受损AF组织微环境的治疗剂，实施了整合物理和生化线索的多模态力学调控策略。该方法有效缓解了IVDD中的炎症和氧化应激，同时成功实现纤维环再生，为治疗IVDD提供了有前景的策略。

4.3. 多模态力学调控策略在心脏再生中的应用

除了肌肉骨骼系统，机械信号在心脏功能的维持和发育中也起着核心作用，从胚胎形态发生到成人功能稳态。心脏承受的机械应力（如拉伸、剪切和周期性收缩）用于优化细胞间连接、促进瓣膜形成以及调控钙离子流和膜受体表达。同时，心脏成纤维细胞分泌的胶原蛋白和弹性蛋白直接影响心脏ECM的刚度和粘弹性。由于机械转导在心脏系统中的关键作用，多模态力学调控策略在近期心脏再生相关研究中日益突出。例如，Han等通过打印具有沉积磁性PCL/Fe₃O₄的蛇形聚偏氟乙烯压电纤维，开发了一种结合外部压缩刺激和电刺激的多模态力学调控策略，促进了心脏组织的生长和成熟，并为心脏功能恢复提供了具有定制拓扑结构和力学特性的支架制备方法。Zhang等则开发了另一种通过调控支架刚度和复制天然瓣叶自然波纹结构的多模态力学调控策略，为组织工程心脏瓣膜提供了巨大潜力。

除了心脏组织本身，多模态力学调控策略也推进了心血管人造移植物的发展。此前，自体血管移植是心血管手术的主流治疗方法，但存在可用性明显有限和提取程序困难的缺点。Fahad等利用心脏细胞外基质设计了一种双层小直径组织工程血管移植物，其拉伸强度与天然动脉相似（4.3 ± 1.8 MPa）。通过多模态力学调控策略，该移植物允许平滑肌细胞渗透，改善内皮化，并保持通畅10周。

4.4. 多模态力学调控策略的临床转化

随着基于多模态力学调控策略的组织修复材料研究的深入，许多材料现已进入临床前研究，其中压电材料成为一个典型例子。2022年，Liu等率先开发了一种可生物降解的压电聚左旋乳酸（PLLA）纳米纤维支架。他们发现该支架在正常关节负载下可产生可控压电荷，从而促进细胞迁移和募集；此外，它还通过钙信号通路诱导内源性TGF-β产生，在体外和体内促进软骨形成和再生。然而，该材料也存在一定局限性：聚乳酸的降解会导致植入部位乳酸积累，产生局部酸性微环境，可能影响疗效并阻碍进一步临床转化。为解决此问题，研究人员转而利用二苯丙氨酸晶体构建新型压电材料，其生物相容性优于聚乳酸。二苯丙氨酸是人体内天然存在的氨基酸。研究进一步揭示，基于二苯丙氨酸的压电材料可在大动物模型中有效实现抗菌效果和修复感染性骨缺损，展现出显著的临床转化潜力。

然而，当前的压电材料仍面临一些局限性，需解决才能进一步临床转化。首先，在组织修复过程中，组织对电信号的需求是动态的，但我们仍缺乏具有动态可调压电特性的材料。其次，现有的压电材料产生随机取向的电场；未来研究应探索定向电场是否能增强疗效。最后，尽管当前的压电材料在大型动物模型中显示出有前景的治疗潜力，但来自灵长类动物研究和临床试验的数据仍然匮乏。在临床应用之前仍有很长的路要走，需要每个人的持续努力。

5. 总结与展望

力学因素在正常生理活动和疾病发展中均起着至关重要的作用。人体组织嵌入高度复杂的力学微环境中；这种独特的力学微环境维持着各种组织的正常生理功能，并在相关疾病进展中发生显著改变。不断深入的研究日益表明，细胞或组织内的生物过程受到短时间和长时间尺度上多模态机械刺激的调控。这一认识催生了多模态力学调控策略的概念。近期，多模态力学调控策略在促进骨、IVD和心脏等多种组织再生方面展现出显著成效。然而，仍存在一些需要进一步研究的挑战。例如，许多疾病发生和进展过程中力学特性的改变仍表征不足。此外，不同组织和疾病对多种机械刺激的反应存在显著差异，这为设计相关的多模态力学调控策略带来了巨大挑战。尽管快速发展的的人工智能（AI）可以部分应对这一挑战，但目前训练模型的数据稀缺限制了其适用性。未来的工作应将AI与高通量筛选技术相结合，以提供可靠的数据和训练模型。这种整合是进一步优化多模态力学调控策略方法和参数的一条有前景的途径。进一步地，将此类方法与类器官系统相结合，可能通过多模态力学调控增强组织成熟，为相关疾病提供新的治疗途径。