关键词：甲基丙烯酰化明胶（GelMA），磷酸化多肽Nap-FFYpC，萘环修饰酪氨酸磷酸肽，GelMA-g-NapFFYpC 双网络水凝胶，甲基丙烯酰明胶

Endogenous alkaline phosphatase gradient-driven stiffness-adaptive hydrogel regulates stem cell fate for osteochondral repair

Biomaterials，Volume 335, December 2026, 124342

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2026.124342

一、研究背景

天然骨软骨组织沿深度方向存在显著的梯度刚度分布：浅层软骨区质地柔软，深层骨区模量较高，依靠内源性碱性磷酸酶（ALP）的空间梯度活性维持界面异质性力学微环境，协同调控干细胞向软骨、骨方向定向分化。现有修复支架存在以下关键缺陷：

1.植入后力学性能为静态均质，无法模拟体内的动态自适应硬化过程，难以复刻天然骨软骨的梯度力学微环境；

2.人工预制梯度支架仅能实现初始固定刚度分层，无法响应组织内源生化信号动态重塑力学性能；

3.力学信号的调控通路不明确，无法精准分区诱导干细胞成软骨、成骨分化，骨软骨界面再生整合效果差。 针对上述问题，本工作构建GelMA-g-NapFFYpC磷酸肽接枝光交联水凝胶，依托病灶内源ALP酶响应原位构建β折叠富集的二级物理网络，实现深度梯度自适应增硬，精准调控干细胞命运，用于一体化骨软骨修复。

二、GelMA-g-NapFFYpC 梯度刚度水凝胶分步制备

1.磷酸化功能肽Nap-FFYpC合成

含萘环芳香基团、磷酸酪氨酸的多肽Nap-FFYpC，具备ALP去磷酸化响应后自组装形成β折叠的能力；磷酸基团可阻断肽链氢键堆叠，ALP催化脱磷酸后会暴露疏水与氢键位点。

2.GelMA共价接枝多肽前体制备

甲基丙烯酰化明胶（GelMA）的氨基与多肽的羧基在三乙胺弱碱环境下发生酰胺共价接枝，得到GelMA-g-NapFFYpC大分子前驱体；核磁氢谱、FTIR、紫外光谱证实多肽已成功接枝。

3.原位光交联一级网络成型

将前驱体水溶液经紫外光交联，形成均匀的GelMA共价一级多孔网络后，植入兔骨软骨缺损部位；体内内源ALP沿组织深度呈梯度分布，可诱导凝胶原位逐级自组装形成二级网络。

4.ALP驱动梯度β折叠二级网络

缺损处内源ALP梯度催化多肽脱磷酸，肽链发生分子间π-π堆叠与氢键聚集，大量生成β折叠富集的物理交联网络，形成沿深度渐变的刚度梯度，实现原位力学自适应重塑。

三、ALP梯度响应刚度自适应与干细胞分化调控机制

1.内源 ALP 介导深度梯度刚度重塑

天然骨软骨组织浅层ALP活性低、深层ALP活性高，对应凝胶内部脱磷酸程度由浅至深递增，β折叠交联密度梯度升高；凝胶压缩模量由初始的76.11 kPa梯度提升至240.75 kPa，可完美复刻天然组织的梯度力学微环境。

2.分区机械转导调控干细胞定向分化

A.柔软浅层区域（低刚度）：低力学刺激下调FAK、Rho/ROCK通路活性，抑制YAP/TAZ入核，激活成软骨相关基因，诱导干细胞软骨分化；

B.高刚度深层区域（高模量）：高强度机械信号激活黏着斑激酶FAK、Rho-ROCK，上调LATS1/2磷酸化以调控YAP/TAZ核转位，结合TEAD转录因子激活成骨通路，促进骨基质沉积；

C.Hippo-YAP通路作为机械信号的核心开关，可在同一凝胶支架内实现分层诱导双谱系分化。

3. 一体化骨软骨协同修复优势

动态梯度刚度匹配新生软骨与骨基质的生长速率，同步支撑软骨层平滑再生、软骨下骨重塑，形成连续无裂隙的骨软骨整合界面。

四、研究核心创新点

1.内源酶响应原位梯度刚度重塑新策略：首次利用病灶自身ALP生化梯度信号，无需外源性刺激，自发构建与组织匹配的自适应梯度力学支架；

2.双网络分级交联体系：GelMA光交联共价骨架+ALP诱导β折叠物理二级网络，实现植入后动态自增韧；

3.机械转导精准分区调控干细胞命运：依靠连续梯度力学信号，单一支架同步诱导成软骨/成骨双分化，解决骨软骨界面整合难题；

4.完全由内源信号驱动，生物安全性高，适配现有临床植入操作，具备良好转化潜力。

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