这篇文档是由Jeremy M. Lowen和J. Kent Leach*撰写的综述论文，发表在《Advanced Functional Materials》期刊2020年第30卷上。J. Kent Leach来自加州大学戴维斯分校的生物医学工程系和骨科外科系。论文题目为“Functionally Graded Biomaterials for Use as Model Systems and Replacement Tissues”（功能梯度生物材料在模型系统和替代组织中的应用）。

论文的主题围绕功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs）在生物医学领域的应用展开，重点探讨如何利用FGMs模拟天然组织的异质性，并为组织工程和再生医学提供新的解决方案。天然组织（如骨骼、软骨、肌腱等）具有复杂的梯度特性，例如孔隙率、矿化度和纤维排列等，这些特性影响组织的强度、延展性和细胞信号传导。FGMs通过模拟这些梯度特性，能够更好地复制天然组织的功能，从而为组织修复和模型系统的开发提供新思路。

论文首先介绍了FGMs的基本概念及其在生物医学领域的潜力。FGMs最初是为航空航天领域设计的高耐热材料，后来逐渐应用于生物医学领域。FGMs通过空间上连续或离散的变化，可以模拟天然组织的机械性能、化学组成和结构特征。这种材料的优势在于能够整合多种生物活性因子和机械特性，从而更好地引导细胞行为和组织再生。

随后，论文详细讨论了FGMs的多种制备方法，主要包括： 1. 光基方法（Light-based Methods）：利用光敏材料通过光掩模或动态曝光技术生成梯度。例如，光刻技术可以通过控制紫外光的照射时间和强度，在光敏水凝胶中创建机械性能或生化因子的梯度。
2. 3D打印（3D Printing）：通过逐层沉积不同材料或调整打印参数，实现成分、孔隙率和刚度的梯度变化。3D打印技术灵活性高，适用于复杂结构的快速原型制作。
3. 微流控技术（Microfluidics）：利用微通道内的流体动力学生成精确的生化或机械梯度，适用于单细胞分析和高通量筛选。
4. 静电纺丝（Electrospinning）：通过调整纤维成分或排列方向，生成具有梯度的纳米纤维支架，模拟细胞外基质的结构。
5. 冷冻干燥（Freeze-drying）和溶剂浇铸/颗粒浸出（Solvent Casting/Particulate Leaching）：通过控制溶剂的结晶或颗粒的分布，创建孔隙率梯度。

论文进一步阐述了FGMs在多个组织工程领域的应用： 1. 骨-软骨界面（Osteochondral Interface）：模拟软骨到骨的连续过渡，包括胶原纤维排列和矿化梯度的复制。例如，3D打印的双层支架（上层为仿软骨的柔软层，下层为仿骨的矿化层）在小动物模型中表现出良好的修复效果。
2. 肌腱-骨界面（Tendon-to-Bone Interface）：通过纤维排列和矿化梯度的结合，促进肌腱和骨的整合。
3. 癌症模型（Cancer Models）：利用FGMs模拟肿瘤微环境中的生化梯度（如氧张力或ECM硬度），研究癌细胞的迁移和侵袭机制。
4. 药物筛选平台（Drug Screening Platforms）：微流控技术结合FGMs可以生成精确的药物浓度梯度，用于评估药物效力和细胞响应。

论文还讨论了FGMs的未来发展方向，包括动态梯度的设计（如随时间变化的生化信号）、非线性梯度的引入（更贴近体内真实的微环境），以及临床转化面临的挑战（如规模化生产和质量控制）。

这篇综述的意义在于总结了FGMs在生物医学领域的最新进展，并为未来的研究提供了方向。其科学价值体现在： 1. 系统性梳理了FGMs的设计原则和制备技术，为研究者提供了全面的方法论参考。
2. 强调了梯度特性在组织工程中的重要性，尤其是如何通过材料科学手段模拟天然组织的复杂性。
3. 提出了从静态梯度向动态梯度发展的新思路，拓展了FGMs的应用潜力。

此外，论文还指出了当前技术的局限性，例如光基方法的细胞毒性、3D打印材料的局限性，以及微流控技术的体积限制。这些问题的解决将推动FGMs在临床中的应用。

这篇综述为生物材料领域的研究者提供了重要的理论和实践指导，展示了FGMs在模拟天然组织和开发替代组织方面的广阔前景。