《Biomaterials》浙江大学：黄雯雯、沈炜亮、陈晓：强韧层级结构丝素水凝胶用于人工肌腱修复

肌腱损伤是运动医学和骨科临床中常见的疾病，可导致疼痛、运动功能障碍及长期生活质量下降。对于严重肌腱断裂或大段缺损，临床上常需要通过自体移植物、异体移植物或人工替代材料进行重建。然而，现有修复策略仍存在一定局限：自体移植物来源有限并可能造成供区损伤，异体移植物存在免疫反应及疾病传播风险，合成高分子人工韧带虽能提供早期力学支撑，但长期组织整合能力有限。另一方面，传统再生丝素水凝胶虽然具有良好的生物相容性和可加工性，但其力学性能通常远低于天然肌腱组织，难以满足承重肌腱修复对高强度、高韧性和长期稳定性的需求。

近日，浙江大学黄雯雯、沈炜亮、陈晓团队在Biomaterials发表题为“Tough and hierarchically-structured silk hydrogel for artificial tendons”的研究论文。该研究受天然肌腱多级取向结构启发，提出了一种结合定向冷冻与热拉伸的水基物理加工策略，制备出强韧层级结构丝素水凝胶（DFHS水凝胶）。该材料在约70 wt%高含水量条件下，仍可实现13.9 MPa的极限拉伸强度和45.5 kJ m⁻²的断裂韧性，力学性能接近人体前交叉韧带，并表现出优异的抗裂纹扩展能力和长期体内稳定性。

如下图所示，研究团队首先利用定向冷冻诱导冰晶沿特定方向生长，在再生丝素水凝胶内部构建微米尺度的取向蜂窝状孔壁结构；随后在水相关玻璃化转变温度以上进行热拉伸，使丝素分子链和β-折叠纳米晶体进一步沿拉伸方向发生重排与取向。通过这一“微米尺度通道取向+纳米尺度β-折叠取向”的协同调控，DFHS水凝胶形成了类似天然肌腱的多级各向异性结构。

得益于这种层级结构设计，DFHS水凝胶突破了传统再生丝素水凝胶力学性能不足的限制。研究发现，当丝素浓度为15 wt%、热拉伸温度为95 °C、拉伸比例为60%时，所得DF15H95S60水凝胶表现出最优综合性能，其极限拉伸强度达到13.9 ± 2.1 MPa，杨氏模量达到16.3 ± 3.0 MPa，断裂韧性达到45.5 ± 7.5 kJ m⁻²，并具有明显的裂纹钝化能力。相较于普通非定向丝素水凝胶，DFHS水凝胶的强度、模量和抗断裂能力均显著提升。

进一步研究表明，DFHS水凝胶的强韧化并非单纯来源于脱水致密化，而是源于定向冷冻和热拉伸共同诱导的多尺度结构重构。其中，定向冷冻构建了连续取向的微米级孔壁结构，为材料提供初始各向异性和结构模板；热拉伸则进一步促进丝素分子链运动、β-折叠纳米晶体取向和层片结构致密化，从而在微观通道结构和分子晶体结构两个层级上实现协同增强。这一加工方式不依赖有毒交联剂或复杂化学改性，具有较好的生物相容性和材料转化潜力。

在生物学功能方面，DFHS水凝胶展现出良好的细胞相容性和促成腱再生潜力。其仿肌腱取向微结构可诱导细胞沿材料方向排列，并上调与细胞外基质重塑和肌腱形成相关的信号通路。动物实验中，研究团队建立兔跟腱损伤模型，进一步验证DFHS水凝胶作为人工肌腱补片的修复效果。结果显示，DFHS水凝胶能够在体内长期保持结构完整性和力学稳定性，持续为损伤肌腱提供力学支撑，并促进新生肌腱组织沿材料方向有序生长和成熟。48周时，DFHS组再生肌腱组织形态更加接近正常肌腱，提示其在长期肌腱修复和重塑中具有良好应用前景。

综上所述，该研究提出了一种基于水相关玻璃化转变温度的丝素水凝胶物理加工新策略，实现了再生丝素材料从“软弱水凝胶”向“强韧人工肌腱支架”的性能跃迁。该策略通过定向冷冻构建微米级取向结构，并通过热拉伸诱导纳米级β-折叠晶体取向，为高性能、可降解、仿生人工肌腱材料的开发提供了新的思路。该研究不仅为肌腱损伤修复提供了具有转化潜力的丝素基人工肌腱材料，也为其他半结晶高分子水凝胶的强韧化设计提供了可借鉴的材料加工范式。

浙江大学医学院/良渚实验室周思成博士、浙江大学爱丁堡大学联合学院聂可心博士、吴博轩博士为论文共同第一作者。浙江大学基础医学院/良渚实验室秦聪聪，浙江大学爱丁堡大学联合学院田静怡、李乐乐、樊章，浙江大学基础医学院茵梓教授、欧阳宏伟教授等为论文工作做出重要贡献。浙江大学基础医学院/良渚实验室陈晓教授、浙江大学附属第二医院沈炜亮教授，浙江大学爱丁堡大学联合学院黄雯雯研究员为论文共同通讯作者。相关工作得到浙江省重点研发计划、浙江省自然科学基金华东医药联合基金、国家自然科学基金和浙江省“领雁”研发攻关计划等项目资助。

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

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黄雯雯，浙江大学研究员，博导，浙江省高层次人才，浙二兼聘教授，英国爱丁堡大学荣誉PI，主持多项国家自然科学基金和省部级项目。长期致力于蛋白质材料的研究，包括重组蛋白理性设计、蛋白材料加工、再生医学、肿瘤联合治疗等方面的科研工作。发表相关国际论文50余篇，H-index 31；应邀担任生物医学工程与应用国际会议地区主席及出版主席，30余个学术期刊审稿人，车用生物燃料技术国家重点实验室、李达三·叶耀珍干细胞与再生医学研究中心固定成员。

课题组运用工程技术手段，聚焦“以治病为中心”转向“以健康为中心”的新趋势，建立了以蛋白功能为导向，以生物合成和模拟预测为基础，以高通量制备分析和功能测试为验证和优化手段的重组蛋白创制平台，开展了新型生物材料设计及其临床转化的系统研究。

课题组简介: https://wenwenhuang.com/

联系邮箱: wenwenhuang@intl.zju.edu.cn

招聘具有较强主观能动性的博士后、博士生和研究生(含申请制的爱大单博、单硕，相关介绍：https://biomedical-sciences.ed.ac.uk/connections-outreach/international-activities/zje-institute)。

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About lab

沈炜亮，现任浙江大学医学院附属第二医院骨科行政副主任、运动医学科行政主任、党支部书记，专注肩袖肌腱病精准诊疗与再生研究，年均手术量1500台，开设全国首个“肌腱病”专科门诊。以“微创手术为基础，高水平康复为特色，再生医学为高度”，在肩袖修复、软骨移植、前叉韧带重建等领域形成特色技术。主持国家级项目5项、省部级项目十余项。累计已发表SCI论文74篇，总他引次数3231次。近五年以通讯及一作（含共同）在Nat Commun、Sci Transl Med、Sci Adv、Cell Rep、Am J Sports Med和iScience、等国际知名杂志或运动医学顶刊上发表25篇。获批专利26件（含国际专利1件）。作为主要完成人荣获浙江省科学技术进步一等奖（2023年度），浙江省高等教育教学成果二等奖（2021年度）和教育部自然科学二等奖（2015年度）。荣获2025荣耀医者评选（专科精英）。担任浙江省医学会运动医学分会候任主任委员、国家卫健委基层中心骨科专家委员会运动医学专家组专家、APKASS关节镜与运动创伤教育培训中心 常务副主任、中华医学会骨科分会骨再生医学学组副组长、ICMRS终身会员等重要社会任职。