海军军医大学《自然·通讯》：仿生Janus水凝胶为感染性跟腱修复提供全新解决方案

跟腱断裂合并细菌感染是骨科与运动医学领域的重大挑战。跟腱本身血供差、易感染，而细菌生物膜和持续的炎症反应又会进一步破坏胶原纤维、加剧组织粘连，并阻碍再生微环境，导致愈合不良、功能恢复困难甚至再断裂风险增高。传统的抗生素治疗面临耐药性问题，而现有的生物材料往往难以同时满足力学支撑、防止粘连、高效抗菌和精准免疫调节等多重需求。

针对这一难题，海军军医大学第一附属医院方硕副主任医师、章云童副主任医师、薛春雨副主任医师等合作，受天然腱鞘“粘附-润滑”双相结构的启发，成功开发出一种名为HAPP@H-EXO的仿生Janus（双面）水凝胶。该材料通过其独特的非对称粘附结构、动态抗菌机制以及pH响应性释放的缺氧预处理肌腱干细胞外泌体，实现了对感染性跟腱损伤的时空序贯修复。在动物模型中，该水凝胶能有效清除耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），减轻早期炎症，促进肌腱有序再生，并在8周内显著改善生物力学强度、防止组织粘连、恢复运动功能，展示出一种结合力学适配与免疫调控的治疗新策略。相关论文以“Bionic Janus hydrogel drives infected Achilles tendon regeneration via mechano-immune spatiotemporal steering”为题，发表在

Nature Communications

研究团队首先成功合成了苯硼酸修饰的透明质酸（HP）和降冰片烯修饰的聚乙烯醇（PVA-NB），并通过巯基-烯点击化学与动态硼酸酯交联，构建了具有双网络拓扑结构的高强度水凝胶（HAPP）。该水凝胶能在7秒内快速原位凝胶化，具有良好的保水性和适度的溶胀性能，降解周期超过24天，为其作为长效缓释载体提供了基础。扫描电镜显示其具有均匀互通的三维网络结构。力学测试表明，该水凝胶具备优异的抗疲劳特性、拉伸与压缩强度，以及低能量耗散能力，能够适应肌腱滑动时的高强度动态负荷，并通过其刚性拓扑网络有效地重新分布应力，避免应力集中于缝合处，从而为术后肌腱提供长期稳定的力学保护。

示意图1： 仿生Janus水凝胶（HAPP@H-EXO）用于感染性跟腱断裂时空序贯修复的设计与工作机制示意图。

图2： 水凝胶的基本表征和力学性能。（A）凝胶形成过程。（B）凝胶时间。（C）保水性能。（D）供水性能。（E）溶胀率。（F）平衡溶胀率。（G）降解曲线。（H）流变学测试。（I）（J）时间扫描测试。（K）拉伸测试曲线。（L-P）压缩-卸载测试。（Q）强度、韧性和能量耗散。（R）宏观关节粘附照片。（S）宏观力学性能展示。（T）扫描电镜图像。

图3： 水凝胶实现抗疲劳和应力重新分布。（A）100次压缩加载-卸载测试。（B）100次压缩加载-卸载测试的时间-应力曲线。（C）静态压缩测试的时间-应力曲线。（D）静态拉伸测试的时间-应力曲线。（E）应力分散示意图。

为实现类似腱鞘的双面功能，团队创新性地利用荷叶模板（LLP）诱导，构建了具有非对称粘附特性的Janus水凝胶。在肌腱侧，水凝胶通过动态硼酸酯键和氢键与组织形成强效湿态粘附；而在接触周围组织的外侧，荷叶的超疏水表面诱导聚合物链极性基团向内迁移，形成疏水界面，从而极大降低了与周围组织的粘附力（剪切力降低5.53-6.39倍，接触角高达89°）。细胞实验进一步证实，经LLP处理的表面细胞粘附率显著降低，细胞铺展面积减小，从物理-细胞-分子层面验证了其成功诱导不对称粘附的能力，这为防止术后肌腱与周围组织粘连奠定了物理屏障基础。

图4： Janus水凝胶非对称粘附结构的构建与表征。（A）构建水凝胶实现非对称粘附的示意图。（B）用于测试非对称粘附的搭接剪切测试纵向剖面示意图。（C-D）水凝胶搭接剪切测试剖面示意图、与猪皮粘附的分子细节、粘附强度统计和接触角测试。OAR：外表面抗粘附重塑组；WR：无重塑组。（E）细胞粘附过程示意图。（F）细胞粘附于水凝胶不同界面的细节视图。（G）L929细胞骨架染色。（H）细胞粘附率。（I）细胞铺展面积。（J）细胞平均周长。（K）Western Blot条带。

在抗菌方面，HAPP水凝胶整合了苯硼酸基团和阳离子聚合物聚乙烯亚胺（PEI），形成了“捕获-杀灭”的协同抗菌机制。苯硼酸基团可特异性识别并捕获细菌细胞壁上的二醇结构，而PEI则通过物理破坏细菌细胞膜发挥杀菌作用。该体系对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及MRSA均展现出快速且持续的杀灭效果，并且在连续14代的传代培养中未观察到细菌对捕获机制产生耐药性，证明了其长效抗菌的潜力。

图5： 水凝胶的时空抗菌效果。（A）细菌捕获率量化图。（B）细菌捕获率统计图。（C）细菌捕获机制示意图。（D）细菌捕获抗性测试图。（E）对MRSA，（F）金黄色葡萄球菌和（G）大肠杆菌的杀菌动力学图。（H）杀菌率统计图。（I）重复杀菌实验过程示意图。（J）宏观抗菌实物图。（K）细菌场发射扫描电镜图像。（L）长期杀菌统计图。（M）重复杀菌统计图。（N）细菌抗性检测曲线。（O）抗生物膜实验过程示意图。（P）结晶紫染色宏观图像。（Q）杀菌机制示意图。（R）抗生物膜测试结果统计图。

研究的另一核心是负载了缺氧预处理肌腱干细胞外泌体（Hypo-TDSC-Exos）的pH响应控释系统。缺氧预处理显著提高了外泌体的产量和生物活性。这些外泌体被成功包封于水凝胶中，并在酸性（pH 5.0）的早期损伤炎症微环境中快速释放，在中性（pH 7.4）的后期修复阶段缓慢释放。体外实验表明，负载Hypo-Exos的水凝胶（HAPP@H-EXO）能有效促进细胞增殖、迁移和血管生成，并显著清除活性氧（ROS）、维持线粒体膜电位。更重要的是，它能通过抑制NF-κB通路，将巨噬细胞从促炎的M1表型极化为抗炎的M2表型，调节炎症微环境。

图6： 外泌体表征及HAPP@H-EXO的体外生物学功能。（A）外泌体透射电镜图像。（B）外泌体纳米颗粒追踪分析。（C）CD9、CD63、TSG101和Calnexin表达的Western Blot分析。（D）TDSCs内化外泌体（Wistracker标记）的免疫荧光图。（E）Wistracker荧光强度量化。（F）HAPP@H-EXO和HAPP@EXO的场发射扫描电镜图像。（G）Wistracker标记的外泌体均匀嵌入水凝胶中。（H）外泌体在pH=7.4和（I）pH=5.0条件下的缓释曲线。（J）L929细胞和（K）TDSCs的细胞增殖率。（L）L929细胞和（M）TDSCs的划痕实验图。（N）L929细胞和（O）TDSCs的迁移能力量化。（P）HUVEC体外成管图像。（Q）HUVEC成管节点数与（R）总分支长度统计。（S）TDSCs中COL1的免疫荧光图像及（T）荧光强度量化。

图7： HAPP@H-EXO清除ROS并调节免疫反应。（A）TDSCs的ROS荧光染色图及（C）荧光强度量化。（B）TDSCs线粒体膜电位荧光染色图及（D）荧光强度量化。（E）RAW264.7细胞的iNOS免疫荧光图像及（G）荧光强度量化。（F）RAW264.7细胞的CD206免疫荧光图像及（H）荧光强度量化。（I）IL-6和（J）IL-10的ELISA结果统计图。（K）mRNA-seq数据的火山图。（L）差异表达基因热图。（M）GO富集分析。（N）KEGG富集分析。

在构建的大鼠跟腱断裂合并MRSA感染模型中，HAPP@H-EXO展现了卓越的体内治疗效果。它能在早期（第3天和1周）有效清除细菌，减轻氧化应激，并调节巨噬细胞极化，降低促炎因子TNF-α，提高抗炎因子TGF-β和IL-10的水平。组织学分析显示，治疗组促进了胶原纤维的有序沉积和排列（I/III型胶原比例显著提高），增强了血管生成（CD31表达上调），并促进了肌腱细胞标志物（TNMD和SCX）的表达。生物力学测试和超声检查证实，治疗后的跟腱断裂负荷、杨氏模量更接近正常肌腱，且有效防止了组织粘连。步态分析和旷场实验进一步表明，动物的运动功能得到了显著恢复。这些效果在大动物（兔）模型中同样得到了验证。

图8： HAPP@H-EXO的体内抗菌及抗炎效果。（A）动物实验示意图。（B）HAPP@H-EXO体内抗菌、抗氧化应激及抗炎治疗作用示意图。（C）体内抗菌效果示意图。（D）线粒体透射电镜图像。（E）ROS、CD206、CD86、TGF-β和TNF-α的免疫荧光染色图。（F）ROS水平的定量荧光分析。（G）CD86表达的定量荧光分析。（H）CD206表达的定量荧光分析。（I）M2/M1巨噬细胞比值定量分析。（J）TNF-α荧光定量。（K）TGF-β荧光定量。

图9： HAPP@H-EXO促进胶原序贯重塑、血管化、肌腱再生及应力重新分布。（A）HAPP@H-EXO促进胶原沉积、血管化和肌腱细胞再生机制示意图。（B）第2周和6周样本及染色示意图。A：跟腱；T：胫骨；C：跟骨；M：肌肉。（C）第2周和（E）第6周的H&E染色示意图及放大图。（D）第2周和（F）第6周的马松染色图、放大图及基于马松染色的胶原取向分布分析。（G）胶原取向分布尺度。（P）胶原体积分数定量分析。（H）第6周天狼星红染色图及（Q）I/III型胶原比例定量分析。（I）第2周CD31免疫荧光图及（R）染色定量分析。（J）第2周和（K）第6周的SCX免疫荧光图及（S）定量分析。（L）第2周和（M）第6周的TNMD免疫荧光图及（T）定量分析。（N）第2周YAP免疫荧光图。（O）应力均匀化及抗粘连示意图。

图10： HAPP@H-EXO改善术后组织粘连、运动功能及机械性能。（A）术后8周取样宏观实物图。（B）肌腱透射电镜图像及（C）胶原纤维直径统计图。（D）超声检测结果。（E）低回声区面积定量及（F）跟腱前后径长度定量。（G）术后粘连评分。（H）步态测试示意图及测试结果。（I）平均接触面积统计图。（J）最大接触面积统计图。（K）平均接触强度统计图。（L）最大接触强度统计图。（M）跟腱功能指数统计。（N）旷场测试结果及（O）总运动距离统计图。（P）跟腱生物力学测试示意图。（Q）最大断裂负荷及（R）杨氏模量统计图。

综上所述，这项研究通过“结构仿生-功能耦合”的设计理念，成功创建了一种集力学适配、抗粘连、抗菌与免疫调节于一体的多功能Janus水凝胶系统。HAPP@H-EXO为解决感染性承重软组织再生这一临床难题提供了兼具创新性与转化潜力的材料学方案。未来，研究团队将深入探索水凝胶应力重分布的原位表征机制、荷叶诱导界面的仿生模具制备、外泌体释放动力学的精准调控以及缺氧外泌体中关键活性分子的鉴定，以推动该策略向临床应用迈进。