肌腱損傷是運動醫(yī)學和骨科臨床中常見的疾病，可導致疼痛、運動功能障礙及長期生活質(zhì)量下降。對于嚴重肌腱斷裂或大段缺損，臨床上常需要通過自體移植物、異體移植物或人工替代材料進行重建。然而，現(xiàn)有修復策略仍存在一定局限：自體移植物來源有限并可能造成供區(qū)損傷，異體移植物存在免疫反應(yīng)及疾病傳播風險，合成高分子人工韌帶雖能提供早期力學支撐，但長期組織整合能力有限。另一方面，傳統(tǒng)再生絲素水凝膠雖然具有良好的生物相容性和可加工性，但其力學性能通常遠低于天然肌腱組織，難以滿足承重肌腱修復對高強度、高韌性和長期穩(wěn)定性的需求。

近日，浙江大學黃雯雯、沈煒亮、陳曉團隊在Biomaterials發(fā)表題為“Tough and hierarchically-structured silk hydrogel for artificial tendons”的研究論文。該研究受天然肌腱多級取向結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出了一種結(jié)合定向冷凍與熱拉伸的水基物理加工策略，制備出強韌層級結(jié)構(gòu)絲素水凝膠（DFHS水凝膠）。該材料在約70 wt%高含水量條件下，仍可實現(xiàn)13.9 MPa的極限拉伸強度和45.5 kJ m?2的斷裂韌性，力學性能接近人體前交叉韌帶，并表現(xiàn)出優(yōu)異的抗裂紋擴展能力和長期體內(nèi)穩(wěn)定性。

如下圖所示，研究團隊首先利用定向冷凍誘導冰晶沿特定方向生長，在再生絲素水凝膠內(nèi)部構(gòu)建微米尺度的取向蜂窩狀孔壁結(jié)構(gòu)；隨后在水相關(guān)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上進行熱拉伸，使絲素分子鏈和β-折疊納米晶體進一步沿拉伸方向發(fā)生重排與取向。通過這一“微米尺度通道取向+納米尺度β-折疊取向”的協(xié)同調(diào)控，DFHS水凝膠形成了類似天然肌腱的多級各向異性結(jié)構(gòu)。

得益于這種層級結(jié)構(gòu)設(shè)計，DFHS水凝膠突破了傳統(tǒng)再生絲素水凝膠力學性能不足的限制。研究發(fā)現(xiàn)，當絲素濃度為15 wt%、熱拉伸溫度為95 °C、拉伸比例為60%時，所得DF15H95S60水凝膠表現(xiàn)出最優(yōu)綜合性能，其極限拉伸強度達到13.9 ± 2.1 MPa，楊氏模量達到16.3 ± 3.0 MPa，斷裂韌性達到45.5 ± 7.5 kJ m?2，并具有明顯的裂紋鈍化能力。相較于普通非定向絲素水凝膠，DFHS水凝膠的強度、模量和抗斷裂能力均顯著提升。

進一步研究表明，DFHS水凝膠的強韌化并非單純來源于脫水致密化，而是源于定向冷凍和熱拉伸共同誘導的多尺度結(jié)構(gòu)重構(gòu)。其中，定向冷凍構(gòu)建了連續(xù)取向的微米級孔壁結(jié)構(gòu)，為材料提供初始各向異性和結(jié)構(gòu)模板；熱拉伸則進一步促進絲素分子鏈運動、β-折疊納米晶體取向和層片結(jié)構(gòu)致密化，從而在微觀通道結(jié)構(gòu)和分子晶體結(jié)構(gòu)兩個層級上實現(xiàn)協(xié)同增強。這一加工方式不依賴有毒交聯(lián)劑或復雜化學改性，具有較好的生物相容性和材料轉(zhuǎn)化潛力。

在生物學功能方面，DFHS水凝膠展現(xiàn)出良好的細胞相容性和促成腱再生潛力。其仿肌腱取向微結(jié)構(gòu)可誘導細胞沿材料方向排列，并上調(diào)與細胞外基質(zhì)重塑和肌腱形成相關(guān)的信號通路。動物實驗中，研究團隊建立兔跟腱損傷模型，進一步驗證DFHS水凝膠作為人工肌腱補片的修復效果。結(jié)果顯示，DFHS水凝膠能夠在體內(nèi)長期保持結(jié)構(gòu)完整性和力學穩(wěn)定性，持續(xù)為損傷肌腱提供力學支撐，并促進新生肌腱組織沿材料方向有序生長和成熟。48周時，DFHS組再生肌腱組織形態(tài)更加接近正常肌腱，提示其在長期肌腱修復和重塑中具有良好應(yīng)用前景。

綜上所述，該研究提出了一種基于水相關(guān)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的絲素水凝膠物理加工新策略，實現(xiàn)了再生絲素材料從“軟弱水凝膠”向“強韌人工肌腱支架”的性能躍遷。該策略通過定向冷凍構(gòu)建微米級取向結(jié)構(gòu)，并通過熱拉伸誘導納米級β-折疊晶體取向，為高性能、可降解、仿生人工肌腱材料的開發(fā)提供了新的思路。該研究不僅為肌腱損傷修復提供了具有轉(zhuǎn)化潛力的絲素基人工肌腱材料，也為其他半結(jié)晶高分子水凝膠的強韌化設(shè)計提供了可借鑒的材料加工范式。

浙江大學醫(yī)學院/良渚實驗室周思成博士、浙江大學愛丁堡大學聯(lián)合學院聶可心博士、吳博軒博士為論文共同第一作者。浙江大學基礎(chǔ)醫(yī)學院/良渚實驗室秦聰聰，浙江大學愛丁堡大學聯(lián)合學院田靜怡、李樂樂、樊章，浙江大學基礎(chǔ)醫(yī)學院茵梓教授、歐陽宏偉教授等為論文工作做出重要貢獻。浙江大學基礎(chǔ)醫(yī)學院/良渚實驗室陳曉教授、浙江大學附屬第二醫(yī)院沈煒亮教授，浙江大學愛丁堡大學聯(lián)合學院黃雯雯研究員為論文共同通訊作者。相關(guān)工作得到浙江省重點研發(fā)計劃、浙江省自然科學基金華東醫(yī)藥聯(lián)合基金、國家自然科學基金和浙江省“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計劃等項目資助。

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2026.124294

課題組介紹

About lab

黃雯雯，浙江大學研究員，博導，浙江省高層次人才，浙二兼聘教授，英國愛丁堡大學榮譽PI，主持多項國家自然科學基金和省部級項目。長期致力于蛋白質(zhì)材料的研究，包括重組蛋白理性設(shè)計、蛋白材料加工、再生醫(yī)學、腫瘤聯(lián)合治療等方面的科研工作。發(fā)表相關(guān)國際論文50余篇，H-index 31；應(yīng)邀擔任生物醫(yī)學工程與應(yīng)用國際會議地區(qū)主席及出版主席，30余個學術(shù)期刊審稿人，車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室、李達三·葉耀珍干細胞與再生醫(yī)學研究中心固定成員。

課題組運用工程技術(shù)手段，聚焦“以治病為中心”轉(zhuǎn)向“以健康為中心”的新趨勢，建立了以蛋白功能為導向，以生物合成和模擬預測為基礎(chǔ)，以高通量制備分析和功能測試為驗證和優(yōu)化手段的重組蛋白創(chuàng)制平臺，開展了新型生物材料設(shè)計及其臨床轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)研究。

課題組簡介: https://wenwenhuang.com/

聯(lián)系郵箱: wenwenhuang@intl.zju.edu.cn

招聘具有較強主觀能動性的博士后、博士生和研究生(含申請制的愛大單博、單碩，相關(guān)介紹：https://biomedical-sciences.ed.ac.uk/connections-outreach/international-activities/zje-institute)。

課題組介紹

About lab

沈煒亮，現(xiàn)任浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院骨科行政副主任、運動醫(yī)學科行政主任、黨支部書記，專注肩袖肌腱病精準診療與再生研究，年均手術(shù)量1500臺，開設(shè)全國首個“肌腱病”專科門診。以“微創(chuàng)手術(shù)為基礎(chǔ)，高水平康復為特色，再生醫(yī)學為高度”，在肩袖修復、軟骨移植、前叉韌帶重建等領(lǐng)域形成特色技術(shù)。主持國家級項目5項、省部級項目十余項。累計已發(fā)表SCI論文74篇，總他引次數(shù)3231次。近五年以通訊及一作（含共同）在Nat Commun、Sci Transl Med、Sci Adv、Cell Rep、Am J Sports Med和iScience、等國際知名雜志或運動醫(yī)學頂刊上發(fā)表25篇。獲批專利26件（含國際專利1件）。作為主要完成人榮獲浙江省科學技術(shù)進步一等獎（2023年度），浙江省高等教育教學成果二等獎（2021年度）和教育部自然科學二等獎（2015年度）。榮獲2025榮耀醫(yī)者評選（專科精英）。擔任浙江省醫(yī)學會運動醫(yī)學分會候任主任委員、國家衛(wèi)健委基層中心骨科專家委員會運動醫(yī)學專家組專家、APKASS關(guān)節(jié)鏡與運動創(chuàng)傷教育培訓中心 常務(wù)副主任、中華醫(yī)學會骨科分會骨再生醫(yī)學學組副組長、ICMRS終身會員等重要社會任職。