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背景介绍
骨软骨单元是一个从表层软骨到钙化软骨再到软骨下骨的连续整合界面，其基质组成、矿物质含量和力学性能均随深度呈渐进性变化。刚度自适应的梯度支架能够提供精确的力学生物学线索，对于协调的骨软骨修复至关重要。然而，大多数现有支架在植入后仍保持机械静态和空间均匀，无法模拟天然骨软骨界面的自适应硬化和深度依赖性异质性。因此，迫切需要开发能够在原位响应组织微环境、进行机械重塑的支架。
研究思路
针对上述挑战，中国科学院长春应用化学研究所丁建勋研究员及陈学思院士联合吉林大学第二医院常非教授团队提出了一种内源性碱性磷酸酶响应的水凝胶（GelMA-g-NapFFYpC），将骨软骨组织天然的深度依赖性ALP活性转化为原位机械重塑。该团队将磷酸化肽Nap-FFYpC通过迈克尔加成反应接枝到甲基丙烯酰化明胶（GelMA）上，形成光交联初级网络。在ALP介导的去磷酸化后，接枝的肽段发生β-折叠富集的自组装，形成次级物理网络，使无侧限压缩模量从76.11 kPa增加至240.75 kPa，产生深度对齐的硬化曲线。这些演化的力学线索通过以黏着斑激酶（FAK）、Rho相关激酶（ROCK）和Hippo-YAP信号通路为中心的黏附相关力传导，调控干细胞命运：较软区域有利于成软骨分化，较硬区域促进成骨分化。在兔骨软骨缺损模型中，该刚度自适应水凝胶支持整合的骨软骨再生，包括近乎连续的软骨覆盖、改善的软骨下骨恢复和优异的局部力学恢复。相关内容以“Endogenous alkaline phosphatase gradient-driven stiffness-adaptive hydrogel regulates stem cell fate for osteochondral repair”为题，发表在Biomaterials。
图片解析
Scheme 1. 内源性ALP梯度驱动的刚度自适应水凝胶调控干细胞命运用于骨软骨修复的示意图： 利用骨软骨组织中从软骨到软骨下骨的天然ALP活性梯度，将ALP响应性肽接枝GelMA水凝胶植入缺损后，ALP触发肽段去磷酸化和β-折叠自组装，形成深度依赖性刚度梯度，较软区域促进软骨形成，较硬区域促进骨形成。
图1. ALP触发GelMA-g-NapFFYpC组装的表征： (A) GelMA-g-NapFFYpC的合成路径及ALP触发的去磷酸化和β-折叠组装示意图。(B) Nap-FFYpC、GelMA和GelMA-g-NapFFYpC的¹H NMR谱。(C) UV-vis吸收光谱和(D) FTIR光谱。(E) ³¹P NMR监测ALP介导的去磷酸化过程。(F) 从³¹P NMR谱推导的反应动力学。(G) ALP介导的去磷酸化及随后水凝胶网络内β-折叠组装的示意图。(H) ALP孵育期间GelMA-g-NapFFYpC的圆二色谱（CD）。(I) 基于CD的二级结构含量（无规卷曲、α-螺旋、β-折叠）随时间变化。
图2. GelMA-g-NapFFYpC水凝胶的形成与动态结构演变： (A) ALP孵育0、12、24、48 h后GelMA-g-NapFFYpC水凝胶的冷冻SEM图像，比例尺10 μm。(B) 从(A)量化的孔径分布直方图及趋势拟合。(C) 酶处理期间储能模量(G')和损耗模量(G")的时间扫描流变学。(D) 指定时间点记录的无侧限压缩应力-应变曲线。(E) 48 h内硫黄素T荧光显微图像，比例尺100 μm。(F) 三种理想化结构（均匀凝胶、三层凝胶、梯度凝胶）在20%单轴压缩下的有限元分析，显示应力分布图（左）和相应的轴向应力曲线（右）。
图3. 通过ALP诱导的基质硬化对hBM-MSC命运的时空调控： (A) 第3天和第7天包封在GelMA或GelMA-g-NapFFYpC中并在ALP(-)、ALP(+)和ALP(++)条件下培养的hBM-MSCs的3D活/死共聚焦重建图，比例尺200 μm。(B) 第3天和第7天在指定ALP条件下接种在GelMA或GelMA-g-NapFFYpC表面的hBM-MSCs的3D迁移轨迹重建图，比例尺200 μm。(C) 14天后基质沉积：不同ALP水平下GelMA和GelMA-g-NapFFYpC水凝胶横截面的阿利新蓝和茜素红染色，比例尺500 μm。(D) ACAN（绿色）和Col I（红色）的免疫荧光图像，细胞核DAPI（蓝色），比例尺20 μm。(E) 第7天和第14天成软骨标志物（Col II、ACAN、SOX9）和成骨标志物（Col I、OCN、Runx2）的qRT-PCR。(F) 不同ALP处理下Col II、ACAN、Col I和OCN的Western blot，β-actin为内参。(G) (F)的密度定量，归一化至β-actin（n=3）。
图4. 骨软骨再生的体内评估： (A) 第8周和第12周空白组、GelMA组和GelMA-g-NapFFYpC组的代表性MRI图像（红色箭头指示缺损），比例尺5 mm。(B) 第8周和第12周股骨髁的大体形态（虚线圆圈勾勒缺损），比例尺5 mm。(C) ICRS大体评分（左：8周，右：12周）。(D) 纳米压痕载荷-位移曲线（左：8周，右：12周）。(E) 折合弹性模量（Er）（左：8周，右：12周）。(F) Micro-CT横截面和3D重建（左：8周，右：12周），比例尺2 mm。(G) 8周Micro-CT定量指标：BV/TV、Tb.Th、Tb.Sp、Tb.N。(H) 12周Micro-CT定量指标。
图5. 再生组织的组织学和IHC及胶原纤维组织： (A) 8周和12周的组织学和IHC，包括H&E、SO&FG、TB以及Col II和Col I的免疫染色，比例尺1 mm。(B) 8周和12周的Sellers组织学评分。(C) 8周和12周的Wakitani评分。(D) 天狼星红染色切片的偏振光显微镜显示表面区和深层区，比例尺200 μm。(E) 比较各组和深度间胶原取向的极坐标（玫瑰）图。
图6. 再生组织的转录组学分析： (A) 12周时GelMA组与GelMA-g-NapFFYpC组之间差异表达基因的火山图（log₂FC>1，adj. P<0.05）。(B) KEGG富集分析显示显著富集的通路（黏着斑、肌动蛋白细胞骨架调节、黏附连接、Hippo-YAP信号轴、PI3K-Akt、TGF-β）。(C) 力传导相关转录本的热图。(D) 细胞组分（细胞骨架、黏着斑、肌球蛋白丝、皮质肌动蛋白细胞骨架、钙通道复合体）的点图富集。(E) 将代表性基因与富集GO术语连接起来的弦图。(F) GSEA显示GelMA-g-NapFFYpC组中Hippo-YAP效应程序的阳性富集。
图7. ALP编程的刚度信号驱动黏附-细胞骨架-细胞核信号轴： (A) ALP(-)/ALP(+)/ALP(++)条件下纽蛋白（红色）和F-肌动蛋白（绿色）的免疫荧光，细胞核DAPI（蓝色），比例尺20 μm。(B) 细胞纵横比和投影铺展面积的定量。(C) p-FAK/FAK、p-MST1/MST1、p-LATS1/LATS1和p-YAP/YAP的Western blot，β-actin或tubulin为内参。(D) 相同条件下Lamin A/C（红色）和F-肌动蛋白（绿色）的免疫荧光，细胞核DAPI（蓝色），比例尺20 μm。(E) Western blot结果的半定量分析（n=3）。
结论
本研究成功开发了一种可注射、无图案的GelMA-g-NapFFYpC水凝胶，将骨软骨组织空间异质性的ALP微环境转化为原位机械重塑。在ALP介导的去磷酸化后，接枝的肽基序在初级光交联GelMA网络内发生β-折叠富集的自组装，产生次级物理网络，使水凝胶自我增强——48 h内储能模量增加约2倍，无侧限压缩模量增加高达3倍。体内早期分层纳米压痕证实了植入后深度对齐硬化曲线的形成。有限元分析显示，与传统三层设计相比，该连续梯度结构具有更平滑的应力传递和减少的界面应力不连续性。在兔滑车骨软骨缺损模型中，GelMA-g-NapFFYpC支持整合的骨软骨再生，而非简单的缺损填充。12周时，该水凝胶促进了近乎连续的软骨覆盖、改善的软骨下骨恢复以及优于模量匹配的GelMA对照组的局部力学恢复。这些结果伴随着更高的ICRS评分、增加的BV/TV、更厚和更多的骨小梁、减少的骨小梁分离，以及具有天然样深度依赖性各向异性的更有序胶原结构。机制上，Hippo-YAP相关力传导通路被确定为与ALP编程的刚度自适应梯度水凝胶相关的主要通路。较低刚度条件有利于成软骨程序，而较高刚度条件促进成骨定向。该工作建立了一种利用内源性酶梯度原位产生梯度力学图案的实用策略，为骨软骨再生及其他软-硬组织界面（特别是需要协调界面力学和分区组织整合的界面）提供了通用的设计框架。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2026.124366