伴隨著人口老齡化社會日益增長的需求，植介入醫療器械領域創新活躍，植介入生物材料的結構、力學特性及其與細胞組織的相互作用關系是決定內植物成敗的關鍵，其蘊含的科學問題也日益受到學界的關注。

01 生物材料的結構與力學特性、結構仿生與生物材料創新

生物材料結構與其力學特性之間有密切關系。生物體在自然選擇的過程中，演化出獨特的結構和力學性質。通過模仿生物體的多級結構和材料合成過程，可形成一系列具有特殊力學性質的仿生生物材料。研究仿生生物材料的關鍵在于弄清材料的結構性能和力學之間的關系，即如何通過結構調控材料的力學行為，以及如何通過力學調控材料的結構性能。

近年來，通過模仿生物體多級結構以獲得具有特殊力學性質的結構和功能材料成為一個重要的課題。研究者通過模仿生物體的分子、納米、微米和宏觀結構，極大地改善了材料的力學強度、韌性、黏附性、潤滑特性、刺激響應特性以及其它力學相關的特性。例如，通過模仿貝殼珍珠層獨特的多尺度、多層級“磚-泥”組裝結構，研制出輕質高強韌有機-無機復合材料。這類材料能夠通過其獨特的結構和化學組成，使材料內的應力、應變分布均勻化，進而避免材料的過早斷裂。

仿生生物材料的另一個重要目標是構建模仿人體組織和細胞力學性質的材料，用于調控人體內生理過程和疾病的治療。例如，紅細胞獨特的“雙凹圓盤”形狀賦予其極好的變形能力，使得其能輕易通過毛細血管。模仿紅細胞的變形能力和通過性，可以幫助研究者開發具有紅細胞替代功能和藥物遞送功能的人工紅細胞材料。通過模仿細胞外基質的剛度、黏彈性和黏塑性等力學性質，能夠改變細胞的增殖分化行為，進而影響組織的形成和重建過程，在腫瘤生物學和再生醫學等領域具有重要的價值。例如，將傳統彈性水凝膠通過分子結構調控改造成具有黏彈性的材料，能夠改變間充質干細胞的分化方向，促進細胞的成骨向分化。為了模仿肌肉鍛煉增強過程，研究者開發了力學刺激增強水凝膠，其中凝膠在受到外力刺激的過程中分子斷裂產生“力致自由基”，引發水凝膠單體的進一步聚合反應，達到在外力不斷刺激下持續增強。

本研究團隊通過結合納米相分離技術和微球制備技術，開發了具有仿天然細胞外基質納米纖維結構和微孔結構的可注射水凝膠，并通過體內外實驗證實仿生的層級微納結構能夠有效促進骨組織再生。

02 生物材料力學特性調節宿主免疫反應與巨噬細胞極化

生物材料在植入體內后會產生一系列宿主免疫響應，其過程可以簡述為體內蛋白等生物大分子非特異性吸附至植入體表面，誘導宿主單核細胞與中性粒細胞黏附與聚集，進而通過釋放細胞因子與趨化因子招募巨噬細胞、成纖維細胞以及肌成纖維細胞至材料外周，隨著時間推移觸發形成大量微血管與異物巨細胞，最終形成肉芽組織與膠原纖維囊。宿主響應決定了植介入體在體內的功能長期保持，局部炎癥與纖維化，以及組織修復與再生效果。宿主免疫相關細胞的骨架蛋白與黏附蛋白能夠通過感知植入材料力學特性調節自身免疫功能。例如，成纖維細胞等可以通過應力纖維與肌動蛋白的重新裝配黏附在生物材料表面，基質剛度的增加有利于成纖維細胞的黏附和應力纖維的表達。然而，髓系來源具有高運動能力的細胞，如巨噬細胞和中性粒細胞不具有應力纖維。巨噬細胞依靠快速重聚與解離的黏著斑和偽足進行遷移、吞噬以及感知力學作用。植入材料的基底剛度對巨噬細胞功能具有顯著影響。Blakney等[研究發現，提高聚乙二醇-RGD（PEG-RGD）水凝膠的剛度會加重宿主異物反應，并且增加外周形成的膠原纖維膠囊厚度。雖然基質剛度對巨噬細胞的功能調控起到關鍵作用，然而力學轉導分子機制仍尚不明確，近期吸引了一些系列的研究。

生物材料的表面形貌與拓撲結構會顯著影響巨噬細胞與材料間的相互作用，從而調節巨噬細胞的形狀與黏附行為來調控巨噬細胞的功能。Takebe等將巨噬細胞培養于不同方法處理的純鈦表面，巨噬細胞的黏附力隨粗糙度增加而增加，并且提高了BMP-2表達，有利于材料表面的骨形成。此外，表面粗糙度的增加也導致促炎因子IL-1β、IL-6、TNF-α和趨化因子MCP-1、MIP-1α的表達。雖然已有研究表明生物材料的表面形貌與拓撲結構對巨噬細胞的影響，然而三維空間可以更好模擬體內生長環境，這是值得進一步研究的問題。例如，Sussman等對使用34 μm的小孔徑和160 μm大孔徑的聚羥基乙基甲基丙烯酸乙酯（p-HEMA）三維多孔支架對巨噬細胞極化進行研究。結果發現，34 μm多孔支架中的M1型巨噬細胞表達率提高63%，然而提高了新生血管密度和加快基質重塑。

本研究團隊針對生物材料植入引起的異物反應研發了具有免疫調節功能的復合材料與功能性涂層。首先，研發基于天然與人工合成聚合物乳化靜電紡絲技術促進組織與材料整合，提高材料生物相容性減輕異物反應。在此基礎上，開發基于絲素蛋白層層自組裝技術構建的表面涂層，調控材料的分解與降解，提高材料生物相容性減輕異物反應。進一步，開發基于絲素涂層“橋接”白介素4等功能性大分子的化學修飾技術，通過調控巨噬細胞極化賦予靜電紡絲支架免疫調節功能減輕異物反應。近期，還通過細胞膜仿生涂層技術構建具有“偽裝”效果的脂質體涂層，可以有效調控巨噬細胞極化降低異物反應。通過結合納米相分離技術和微球制備技術，開發具有仿天然細胞外基質納米纖維結構和微孔結構的可注射水凝膠，并通過體內外實驗證實仿生的層級微納結構能夠有效促進骨組織再生。

生物材料結構與其力學特性之間有緊密相關，生物材料力學特性、表面結構、粗糙度以及三維內部空間結構等對于宿主固有免疫反應與炎癥響應程度有重要的影響，特別是對主要參與細胞-巨噬細胞的功能可塑性具有顯著性影響。充分理解與挖掘植介入材料結構及力學特性對巨噬細胞極化作用的影響規律，不僅有利于改善材料植入的異物反應與纖維化，同時也有助于優化生物材料力學特性，反哺設計新型力學與結構的功能生物材料參與免疫調控，服務于組織修復與再生。