研究目的

肌腱损伤修复是临床面临的一大挑战，常因愈合质量差、易形成功能性疤痕组织而导致功能恢复不理想。本研究基于对天然肌腱干细胞微环境中物理拓扑特征的深入解析，创新设计并制备了一种具有精密微米级拓扑结构的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）植入式薄膜支架。该支架通过表面规则排布的微坑与微柱结构，能够主动引导肌腱干细胞（Tendon Stem Cells，TSCs）的定向迁移、促进细胞骨架有序排列及伪足极性伸展，从物理层面模拟体内微环境对细胞的调控作用。通过这种仿生设计与生物材料相结合的协同策略，旨在有效抑制修复过程中的异常纤维疤痕形成，推动功能性肌腱组织的定向再生，为提升肌腱修复的临床效果提供了新材料与新思路。

研究主要内容

该研究将紫外光刻技术与微加工蚀刻工艺相结合，制备了一系列具有精确微拓扑结构的PDMS支架。通过系统的高通量细胞活力筛选，从所有拓扑结构中鉴定出三种微坑（P-7-47, P-11-18, P-21-26）与三种微柱（C-8-14, C-13-13, C-18-18）共六种最优结构，能最有效地促进肌腱干细胞（TSCs）的存活与增殖。细胞形态研究表明，微拓扑结构显著影响TSCs形态（图1）。研究表明，微拓扑结构引导着伪足的形态动力学：伪足对微坑产生分叉响应，而对微柱则表现出缠绕行为（图2）。细胞骨架排列沿微拓扑图案方向有序排列，使其取向角减小约40%，细胞极化程度提高至2倍；在拓扑结构的边缘，细胞骨架行为存在差异：在微坑边缘呈现无序与折叠，而在微柱边缘则保持有序延伸，这源于伪足与不同拓扑单元相互作用的机制不同（图3a-c）。在微拓扑结构调控下，TSCs的迁移距离与其伪足数量呈正相关，且迁移速率随拓扑面积比例（AP）变化，于AP≈0.1时达到峰值（图3d-f）。基于此，本研究提出利用两步浸渍法实现疏水高分子材料表面改性：首先在高分子材料表面形成OVA预涂层，再通过OVA与TA的分子间相互作用将TA牢固的锚定在材料表面，形成OVA/TA复合涂层。微观形貌表征结果显示该涂层具有高度的均匀性（整体起伏<3 nm），厚度约100 nm（图1）。

图1.TSCs在光滑、微坑及微柱PDMS表面形态。标尺：20 μm。

图2.微拓扑结构调控伪足行为示意图。标尺：10 μm

图3. TSCs的细胞骨架与迁移行为。

(a) 不同scaffolds上细胞骨架取向的一致性，N≥7；(b) TSCs极化比率统计散点图，N≥7；(c) scaffolds上极化细胞(CPR > 2)的百分比；(d) 细胞迁移距离计算示意图；(e) 3小时内TSCs的迁移距离，N=30；(f) 细胞迁移速率与拓扑结构面积比例关系的统计图，N≥15

研究结论

本研究成功构建了具有精确微坑与微柱拓扑结构的PDMS功能性支架。（1）通过紫外光刻与PDMS复制技术，实现了直径7–21 μm、间距13–47 μm的微结构精准制备，并筛选出六种可显著提升肌腱干细胞活力的最优拓扑构型。（2）微拓扑结构有效引导细胞伪足产生拓扑特异性响应：在微坑处发生分叉延伸，在微柱处则形成缠绕包裹，并伴随细胞骨架有序排列，取向角降低约40%，细胞极化程度提高至2倍。（3）在微拓扑调控下，细胞迁移距离与伪足数量呈正相关，且迁移速率随拓扑面积比例（AP）呈正态分布，在AP ≈ 0.1时达到峰值，揭示出拓扑复杂度与细胞迁移行为的定量关系。因此，该PDMS微拓扑支架通过物理性调控肌腱干细胞迁移与形态，为抑制纤维疤痕形成、促进功能性肌腱再生提供了新材料策略，在肌腱修复领域具有明确的转化潜力。

（图、文：叶雅静；审核：张辰艳）