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背景介绍

尿道上皮构成了一层特化的管腔屏障，保护下层组织免受尿液介导的损伤和微生物入侵，从而维持组织稳态并支持再生。一旦上皮完整性被破坏，下层组织将持续暴露于严苛的尿液微环境（UME）中——尿液中的多种溶质和细菌感染会诱发炎症、阻碍再上皮化，并使组织易于发生纤维化重塑和狭窄形成。因此，构建功能化屏障支架以模拟上皮屏障功能、隔离尿液微环境并促进无瘢痕愈合至关重要。然而，单纯模仿尿道上皮屏障功能对于无瘢痕修复是不够的；建立有利的再生微环境（RME）同样关键。理想的组织工程尿道支架应满足：1）将损伤组织与有害尿液微环境隔离，防止尿液介导的损伤和细菌入侵；2）构建有利的RME，促进尿道伤口从炎症期向增殖期转变；3）具备良好的力学强度和ECM样结构。

研究思路

针对上述挑战，四川大学华西医院骨科解慧琪教授团队开发了一种具有时空协同功能的仿生尿道支架（PTAA支架），通过早期屏障保护和晚期无瘢痕尿道重建的协同设计实现原位有序修复。该支架的管腔层由硫辛酸和大蒜素共价交联构建，模拟尿道上皮的屏障功能，有效抵抗修复早期的尿液侵蚀和细菌感染；再生层为原儿茶醛修饰的SIS多功能支架，模拟尿道黏膜下层的多孔结构并提供ECM样再生微环境。管腔层的强疏水性（接触角124°）有效抵抗尿液渗透（28天渗透率约25%），同时在酸性尿液中力学性能增强，大蒜素的引入抑制了PTA的逆向解聚并赋予支架持续抗菌活性（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制率均>95%）。体内研究证实，该支架能有效加速尿道再上皮化、保持尿道通畅并显著减少纤维化沉积。转录组分析揭示，支架通过重塑再生微环境减弱尿液触发的炎症反应并激活上皮再生程序，为无瘢痕尿道愈合提供有利条件。相关内容以A biomimetic urethral scaffold with spatiotemporally coordinated functions promotes scar-free urethral healing through barrier protection and regenerative microenvironment remodeling发表在Biomaterials！

图片解析

图1. 时空协同仿生尿道支架的表征： (A) FTIR光谱显示不同样品的化学结构，PTAA中C=O峰从1708 cm⁻¹移至1747 cm⁻¹，证实PTA与大蒜素之间存在共价交联。(B-C) XPS宽扫光谱和XRD图谱，PTAA在23.28°处出现尖锐衍射峰，表明硫醇-烯点击反应形成共价结晶网络。(D) DSC测定的不同样品的熔融温度，PTAA的Tg为51.68°C，高于PTA（43.79°C）和PCA/SIS（23.12°C）。(E-G) C1s、O1s和S2p的高分辨XPS光谱。(H) TGA和DTG曲线，PTAA的第一步热分解温度较PTA提高。(I-J) 不同样品管腔层的SEM图像和AFM图像及粗糙度参数，PTAA呈现更均匀的晶粒分布和更光滑的表面。(K-L) PCA/SIS、PTA和PTAA支架的水接触角，PTAA管腔面接触角达124°。(M) 支架在尿液中的溶胀率，PTAA从138%降至67%。(N) 不同组别的表面粗糙度。(O) 不同样品在酸性尿液中不同浸泡时间的拉伸测试结果。(P) 人工尿液中不同样品的体外降解行为（n=3，p<0.01，*p<0.001）。

图2. 时空协同仿生支架的屏障功能： (A) PTAA支架管腔面48h后细胞黏附行为示意图。(B-C) FITC标记BSA和纤维蛋白原在PTAA支架管腔面吸附的荧光图像（标尺100 μm），显示极低的非特异性吸附。(D) R-ECs在PTAA支架上的黏附行为。(E-H) 不同样品表面胶原蛋白、纤维蛋白原、血清和BSA吸附的定量测量（n=4，p<0.01，*p<0.001）。

图3. 体外生物相容性和促上皮化能力评价： (A) R-ECs在不同组别上培养1、4、7天后的活/死染色荧光图像。(B,E) R-ECs在不同实验组中的迁移划痕实验显微图像及定量分析。(C) 不同样品体内生物相容性代表性图像（紫色和橙色箭头分别指示支架和周围组织）。(D) CCK-8法检测R-ECs细胞在1、4、7天处理后的增殖情况。(F-G) 荧光染色和SEM显示不同支架对R-ECs形态的影响。(H) 细胞角蛋白AE1/AE3荧光染色分析不同支架对R-ECs上皮化的影响。(I) 上皮化相关基因热图。(J) 不同处理组差异基因的韦恩图（n=3）。(K) PTA vs PCA/SIS和PTAA vs PCA/SIS之间上调/下调基因的火山图。(L) PTAA与PCA/SIS组之间的KEGG富集分析。(M-R) 不同支架对R-ECs RNA水平的影响（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

图4. 体外抗氧化和抗炎性能： (A) H₂O₂诱导R-SMCs中DCFH-DA荧光探针检测支架的胞内ROS清除能力。(B-C) PCA/SIS、PTA和PTAA支架的DPPH和PTIO自由基清除活性。(D) 不同处理后iNOS和CD163表达的代表性荧光图像。(E-F) H₂O₂处理后PTAA支架上R-SMCs的SOD和MDA水平。(G-K) RT-qPCR检测不同样品培养的RAW264.7细胞中促炎基因（TNF-α、IL-1β、IL-6）和抗炎基因（Arg-1、IL-10）的mRNA水平。(L-P) ELISA检测不同样品培养的RAW264.7巨噬细胞中促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和抗炎细胞因子IL-10、TNF-β的水平（n=3，p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

图5. 体外抗菌活性： (A) 不同样品与E. coli和S. aureus共培养后菌落形成照片（标尺1 cm）。(B) 样品与E. coli共培养12 h后的抑菌率（n=3）。(C) PBS、PCA/SIS、PTA和PTAA组处理后E. coli和S. aureus的SEM图像（标尺2 μm）。(D) 样品与S. aureus共培养12 h后的抑菌率（n=3）。(E-G) 不同样品的抑菌圈及抑菌圈直径（n=5，标尺10 mm）（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

图6. 体内无瘢痕再生与尿道功能恢复： (A) 尿道造影图像，紫色箭头指示狭窄段。(B) 尿动力学代表性曲线（P_ura：尿道压，P_ves：膀胱内压，P_uraDiff = P_ura - P_ves）。(C) 阻塞率（n=3）。(D) 不同样品植入后缺损区体内组织再生的数码照片，红色框表示损伤区域。(E) 12周后不同组别的最大尿道压。(F-G) 不同支架植入后缺损区H&E染色和Masson染色组织学图像（蓝色星号指示尿道管腔，绿色箭头指示尿道上皮，标尺500 μm）。(H-I) 不同组别的上皮厚度和胶原沉积定量（n=3）（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

图7. 尿道再生的病理学评估： (A-C) 不同处理4周和12周后评估上皮化（AE1/AE3）和平滑肌（α-SMA）的免疫荧光染色。(D-E) 不同处理4周和12周后评估纤维化（COL-I和COL-III）的免疫组化染色。(F-J) 不同处理后尿道中AE1/AE3（F）、α-SMA（G）、CD31（H）、COL-I（I）和COL-III（J）的定量表达水平（标尺100和200 μm，n=3，p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

图8. 不同处理尿道组织的转录组分析： (A) 不同处理组差异基因的韦恩图（n=3）。(B) 对照组与正常组之间上调/下调基因的火山图。(C) PTAA组与对照组之间上调/下调基因的火山图。(D-F) PPAR、ECM-受体相互作用和TGF-β信号通路的GSEA分析。(G) 对照组与正常组之间的KEGG富集分析。(H) PTAA组与对照组之间的KEGG富集分析。(I-J) PTAA支架处理的GO富集分析。(K) 抗氧化基因、炎症基因、再上皮化基因和抗纤维化基因的热图。(L-S) NR4A1、COL-III、MMP1、MMP13、TGF-β1、IL-6、ACTA2和α-SMA的RT-qPCR和ELISA检测结果（n=3，p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

结论

本研究开发了一种具有时空协同功能的仿生尿道支架，通过管腔屏障层与再生层的协同设计实现了无瘢痕尿道重建。管腔层（PTAA）面向酸性尿液微环境，通过硫辛酸与大蒜素的共价交联形成强疏水性（接触角124°）和稳定网络结构，有效抵抗尿液侵蚀（28天渗透率约25%）和细菌感染（抑菌率>95%）；再生层（PCA/SIS）面向损伤部位，通过原儿茶醛修饰赋予其抗氧化和免疫调节功能，调节再生微环境以减弱早期氧化应激和炎症反应，加速从炎症期向增殖期和重塑期的转变。该支架兼具非对称润湿性、强力学支撑、抗氧化、免疫调节和抗菌性能，建立了稳定的再生微环境。体内兔尿道缺损模型证实，PTAA支架能显著促进平滑肌再生、减少胶原过度沉积、加速再上皮化和新生血管形成，实现功能性尿道恢复。转录组分析揭示支架通过上调PPAR信号通路、ECM-受体相互作用和MAPK信号通路，下调TGF-β信号通路，有效抵抗尿液诱导的炎症反应并促进上皮再生。该时空协同设计为下一代仿生组织工程尿道移植物的构建提供了新思路。

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