针对上述问题，兰州大学范增杰团队开发了一种突破性的、采用3D打印技术制造的自供电水凝胶支架,通过微纳光固化3D打印与墨水直写3D打印相结合的技术，模拟了荷叶的微纳分级结构，旨在防止成纤维细胞粘连以抑制疤痕形成。同时，通过在由海藻酸钠和聚丙烯酰胺组成的水凝胶基质中梯度化嵌入不同浓度的压电材料PHBV，实现了力学强度、压电输出和降解速率三重梯度的精准构建。这一创新设计旨在通过空间和时间上的协同调控，满足肌腱愈合各阶段的生物学与力学需求，最终实现高效、稳定、无粘连和无感染的功能性再生。该文章于2026年2月9日以《A 3D-Printed Piezoelectric Scaffold With Bio-Inspired Gradient and Dynamic Adaptation for Tendon Regeneration》为题发表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202517298)。

图1.自适应梯度支架（GS）的设计与制备。（A）3D打印和模具法制备GS；（B）支架的仿生荷叶结构及三种梯度（从左至右）：压电性、力学性能和降解性，箭头方向表示递增；（C）GS体内发电模拟示意图；（D）肌腱再生的潜在机制示意图。

（1）压电水凝胶的可打印性及表征

流变学测试显示所有水凝胶均呈剪切稀化特性，PH8、PH4和PH2的剪切屈服应力分别约为168、217和405 Pa（图2C-i, D-i, E-i），且储能模量（G′）均大于损耗模量（G″），表现出剪切应力依赖的粘弹性凝胶行为。采用微纳打印技术结合PDMS翻模工艺制备的仿生荷叶阵列结构由高度100–120 µm、基底直径100 µm、间距300 µm的锥形针组成（图2A, B）；PH2和PH4打印的支架层内孔径规整均匀，PH8打印的最外层表面无孔，横截面显示各层孔径随PHBV浓度梯度变化，能谱分析证实N、C、O、Ca元素分布均匀。

图2.梯度支架（GS）的设计与3D打印。（A）仿生荷叶结构的制备示意图；（B）仿生荷叶结构的SEM俯视图；（C-E）分别展示PH8、PH4和PH2水凝胶打印的支架层表征：（i）储能模量（G′）和损耗模量（G″）随剪切应力的变化；（ii, iii）支架表面的SEM图像及其放大图；（iv, v）支架横截面的SEM图像及其示意图；（vi-x）EDS元素分布图像。

（2）压电水凝胶的理化性质表征

傅里叶变换红外光谱显示PAM样品中1614 cm⁻¹处C=C伸缩振动峰消失，表明丙烯酰胺单体已完全聚合；纯PHBV在2935、1726和1442 cm⁻¹处呈现甲基C-H对称伸缩振动、C-H弯曲振动和酯基C=O轴向变形的特征峰，复合水凝胶光谱中未出现新峰（图3A-C）。X射线衍射证实PHBV在13.61°和17.02°的特征峰存在于各PHn中（图3D）。PH8含水量低于75%，显著低于PH0，与其孔径较小、微孔数量较少相关（图3E）；所有组别24小时内达到溶胀平衡，PH8最小溶胀度有利于维持外层支架稳定性（图3F,G）。28天内各组PHn呈现稳定重量损失，失重率分别为94.1%、92.3%、90.1%和85.7%，随PHBV浓度升高降解速率下降，形成由快到慢的梯度降解轮廓（图3H,I）。力学测试显示PH4性能最优，拉伸应力2 MPa、应变200%，压缩应力6 MPa、应变80%（图3J,M）；压电材料浓度过高会阻碍SA/PAM双网络交联导致力学性能下降。PH2/PH4/PH8构建的力学梯度支架（tGS）可支撑1.0 kg金属物体并表现优异柔韧性（图3P,Q）。表面润湿性梯度显示PH2区域接触角23.9°±3.0°，PH8增至70.1°±4.9°；经PDMS模具制备仿生微结构并三氯十八烷基硅烷修饰后，接触角提升至126.3°±4.6°（图3R,S）。

图3.PHn的表征。（A）支撑结构由三层组成：PH8（i，最外层）、PH4（ii，中间层）和PH2（iii，最内层）；（B）SA、AM和PAM的FTIR光谱；（C）PHBV和PHn的FTIR光谱；（D）XRD图谱；（E）含水量；（F, G）溶胀率；（H, I）降解率；（J）拉伸应力-应变曲线；（K）拉伸强度；（L）拉伸模量；（M）压缩应力-应变曲线；（N）压缩强度；（O）压缩模量；（P, Q）tGS的抗弯曲性能；（R, S）接触角测试。（数据以平均值±标准差表示；所有误差线代表标准差，n=3个生物学独立重复，双侧比较）。

（3）压电性能表征

非压电材料受力时正负电荷中心重合，无电压产生；压电材料受压后分子排列改变形成电偶极矩，产生净电荷与电压（图4A,B）。植入体内的梯度支架（dGS和tGS）响应肌腱力学运动，驱动PHBV分子链中偶极子重新分布与对齐，产生自供电且动态可调的压电刺激，压电力显微镜的蝴蝶曲线和电滞回线证实其压电性能（图4C）。拉伸、压缩、摩擦三种体内压电响应模拟模型确保支架在微小变形下产生动态自适应压电信号（图4D）。万能试验机模拟肌腱内部运动环境显示，PH0和nGS几乎无电压输出；PH4在各PHn组中输出电压最大，随PHBV浓度继续升高输出电压下降，归因于聚合物链间相互作用增强限制链自由运动及高浓度导致的分散性变差和极化效率降低；所有PHn输出电压随应变增加而升高，tGS在各应变组中均表现最高压电值（图4E-P）。1 N压应力下循环十次，支架输出稳定电压（图4Q-T）；相同组别在生理性摩擦下的输出电压显著大于拉伸和压缩状态，材料可持续输出恒定电压（图4U-W）。

图4. PHn和GS的压电表征。（A）非压电材料和（B）压电材料在压缩下的示意图；（C）tGS压电性能：（i）蝶形曲线和（ii）滞回曲线，（iii-iv）PFM微观压电性能；（D）tGS通过三种变形模式实现压电效应；（E-G）1%拉伸应变、（I-K）3%拉伸应变和（M-O）5%拉伸应变下PHn和GS的电压曲线及直方图；（H）1%、（L）3%和（P）5%应变下PHn和GS的电压循环曲线；（Q-S）1 N压缩力下PHn和GS的电压曲线及直方图；（T）1 N压缩力下PHn和GS的电压循环曲线；（U-W）摩擦力下PHn和GS的电压曲线及直方图。（数据以平均值±标准差表示；所有误差线代表标准差，n≥3个生物学独立重复，双侧比较）。

（4）生物学性能

AO/EB染色与MTT测试显示压电支架组细胞密度与增殖活性高于对照组及nGS组（图5B,J），血液相容性及主要器官组织学评估均符合安全标准（图S8,S9）。皮下植入术后3周，tGS组炎症反应极轻微，胶原纤维规则排列且成纤维细胞丰富，修复成熟度优于nGS组。细胞骨架染色显示tGS组细胞铺展面积（528.7±9.1 µm²）与密度（66.7%±6.4%）显著高于对照组（图5C,D,K）；划痕实验48小时tGS组愈合率显著优于dGS组，EdU掺入率达79.5%±7.1%（图5E,F,L,M）。仿生荷叶结构实现亲水侧促细胞粘附而疏水侧抑制的空间选择性（图5H,O）。抗菌实验显示PH8组对大肠杆菌抑制率100%，金黄色葡萄球菌超99%，铜绿假单胞菌约84%（图5G,N）。qPCR证实tGS组肌腱标记物Scx表达最显著，且通过强电效应促进IL-10分泌并抑制TNF-α/IL-6表达（图5P,Q）。

图5.生物学和抗菌行为。（A）细胞实验流程；（B）活/死细胞染色；（C）细胞骨架染色（白色框：放大区域，插图：三维渲染图）；（D）细胞骨架染色荧光强度的定量分析；（E）细胞划痕实验；（F）EdU细胞增殖实验；（G）PHn的抗菌活性；（H）Transwell实验和DAPI染色分析细胞在tGS亲水层和疏水层的黏附；（I）细胞增殖率；（J）OD值；（K）细胞生长密度和铺展面积；（L）划痕实验细胞迁移的统计分析；（M）EdU掺入率；（N）抗菌率分析；（O）Transwell实验细胞计数；（P, Q）Tnmd、Tnc、Scx、IL-10、IL-6和TNF-α的相对基因表达。（数据以平均值±标准差表示，n≥3个生物学独立重复，双侧比较，p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001，ns：无显著性差异）。

（5）功能恢复评估

实时成像系统采集大鼠行走足印评估运动功能恢复（图6A）。术后3周，tGS组左右爪尺寸无明显差异，AFI值最低（-6.5±4.1），摆动时间短而展开值高，运动速度达49.4±15.3 cm/s（图6B-F）。术后3周拉伸测试显示，tGS组弹性模量、最大拉伸应力、最大载荷距离和肌腱长度均最高，与正常组相当（图6H,I），各组刚度与最大拉伸载荷无显著差异。

图6.体内功能恢复评价。（A）大鼠实时步态分析及足印参数示意图：IT（趾间距离，第2-4趾）、TS（趾展，第1-5趾）和PL（足长）；（B）术后1周和3周各组大鼠代表性步态图像；（C）术后1周和3周的跟腱功能指数（AFI）；（D）时空参数示意图；（E, F）术后1周和3周的时空参数分析：（i）摆动时间、（ii）摆动速度、（iii）足长和（iv）足宽；（G）术后3周修复肌腱组织拉伸测试示意图；（H）修复肌腱拉伸测试的应力-应变曲线；（I）力学性能比较：（i）弹性模量、（ii）刚度、（iii）最大拉伸应力、（iv）最大拉伸载荷、（v）最大载荷处距离和（vi）肌腱长度。（数据以平均值±标准差表示；所有误差线代表标准差，n≥3个生物学独立重复，双侧比较）。

（6）tGS修复肌腱缺损的体内研究

术后1周，对照组和nGS组肌腱周围大量纤维化组织需手术分离，dGS组粘连减轻但表面与皮下组织缠绕，tGS组几乎无致密粘连；术后3周，tGS组修复效果最佳，肌腱形态恢复良好且无成纤维细胞浸润，粘连评分最低（图7B,E,F）。H&E染色显示术后1周tGS组缺损区边界清晰、炎性细胞稀疏、新生血管少；术后3周tGS组缺损区完全填充，胶原纤维波浪状编织排列，大量梭形成熟肌腱细胞平行分布，边界清晰无纤维粘连，腱周粘连、愈合质量和炎症反应评分均最低（图7C,G-I）。Masson染色显示tGS组形成高度取向、致密成熟的新生胶原纤维，细胞结构和血管生成较少，改良Stoll评分和胶原体积分数最高（图7D,J）。

图7.GS修复肌腱的体内评价。（A）GS植入SD大鼠肌腱再生的示意图；（B）术后1周和3周手术部位的大体观察（红色箭头：部分粘连组织）；（C）术后1周和3周肌腱标本的H&E染色（黑框：修复区域，黑虚线：肌腱组织边界，蓝框：肌腱-粘连组织界面放大图，红框：肌腱组织修复高倍图；AS：粘连组织，TD：肌腱组织）；（D）术后1周和3周肌腱标本的Masson三色染色（黑框：修复肌腱整体胶原排列，紫框：胶原放大图）；（E）粘连评分分布；（F）基于大体观察的粘连评估；（G）腱周粘连、（H）肌腱愈合质量、（I）炎症、（J）胶原体积分数（Masson三色染色）的组织学评价。（数据以平均值±标准差表示；所有误差线代表标准差，n≥3个生物学独立重复，双侧比较）。

（7）免疫组化分析

免疫组化显示tGS组Col-I平均光密度在各时间点均高于其他组（图8A,J），Col-III和α-SMA表达低于nGS组及对照组且随时间下降，α-SMA在早期即受控（图8B,D,K,M）；tGS组肌腱特异性标记物Tnmd的AOD随时间延长而增加（图8C,L）。tGS组促进巨噬细胞向M2型极化并分泌IL-10，改善早期肌腱再生微环境（图8E-G,N-P），而对照组和nGS组巨噬细胞向M1型极化并分泌TNF-α（图8H,I,Q,R）。

图8.术后1周和3周修复肌腱组织的免疫组化染色。（A-I）代表性免疫组化染色图像：（A）Col-I、（B）Col-III、（C）Tnmd、（D）α-SMA、（E）IL-10、（F）CD 206、（G）ARG-1、（H）TNF-α和（I）CD 86；（J-R）半定量分析：（J）Col-I、（K）Col-III、（L）Tnmd、（M）α-SMA、（N）IL-10、（O）CD 206、（P）ARG-1、（Q）TNF-α和（R）CD 86的表达。（数据以平均值±标准差表示；所有误差线代表标准差，n≥3个生物学独立重复，双侧比较）。

（8）GS促进肌腱再生的机制

转录组学分析显示对照组、dGS组和tGS组间存在显著基因差异分布（图9A-C,E），共鉴定出1376个差异表达mRNA（674个上调，702个下调，fold change>2，p-value<0.05）（图9D）。GO和KEGG富集分析显示上调通路涉及机械敏感性离子通道活性、钙跨膜转运、钙调磷酸酶-NFAT信号级联，以及干细胞调控、胶原纤维增殖、组织重塑、微环境调控和抗菌相关通路（图9F,G）；下调通路显著抑制非经典Wnt通路、p38MAPK级联、IKKβ/NF-κB信号通路和JAK-STAT信号通路等多条炎症激活相关信号。

图9.转录组分析揭示GS介导的肌腱再生机制。（A）差异表达基因的Upset图，显示各组间的交集和并集；（B）三维PCA显示Control、dGS和tGS组的分离；（C）各组间Pearson相关性的热图；（D）火山图显示各组间上调（黑色）和下调（紫色）的基因；（E）热图按表达模式（上调/下调）对Control、dGS和tGS组的DEGs进行聚类；（F, G）tGS与Control相比下调（F）和上调（G）基因的GO和KEGG富集分析，以桑基图和气泡图可视化。（n=3个生物学独立重复）。