拓扑层级结构机械水凝胶的3D打印集成技术加速骨软骨再生研究

本研究针对传统支架单尺度孔隙结构限制细胞通讯与营养扩散的难题，开发了具有仿生双层结构的拓扑层级机械水凝胶（THMH）。该支架通过纳米孔隙软骨层和宏观孔隙成骨层的梯度互联设计，在体外展现出优异生物相容性并促进BMSCs多向分化，在大鼠模型中实现近乎完整的骨软骨再生。THMH通过整合拓扑层级结构、力学梯度和3D打印定制化优势，为负载型骨软骨修复提供了创新平台。

　　

关节软骨缺损修复一直是骨科领域的重大挑战。由于软骨组织的无血管特性和骨软骨界面的生物力学复杂性，天然修复机制极为有限，常导致骨关节炎的发生。传统治疗方法如微骨折术、自体/异体移植等难以实现结构功能的整合修复，而现有支架材料又存在力学失配、界面整合差等问题。面对这一临床困境，四川大学华西医院骨科研究所的查向军、凌廷贤等研究人员在《Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre》上发表了一项突破性研究，通过集成3D打印技术开发出具有拓扑层级结构的机械水凝胶（THMH），为骨软骨再生提供了全新解决方案。

研究团队采用的关键技术方法包括：基于聚乙烯醇（PVA）的3D生物打印技术构建双层支架结构；通过冻融循环和乙醇处理实现物理交联和孔隙调控；利用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）进行材料表征；通过动态力学分析评估支架的力学性能；采用细胞计数试剂盒（CCK-8）和活死染色评价生物相容性；通过碱性磷酸酶（ALP）染色、阿尔新蓝染色等分化标志物检测评估成骨/成软骨活性；建立大鼠股骨髁骨软骨缺损模型进行体内修复评价；利用微计算机断层扫描（Micro-CT）和组织学分析评估再生效果；通过转录组测序（RNA-seq）探讨分子机制。

研究结果部分，3.1小节显示成功制备了THMH支架，其软骨模拟层（NPH）含有KGN促进软骨分化，骨模拟层（HPH）富含纳米羟基磷灰石（nHA）增强成骨分化。3.2小节的形态结构表征证实THMH具有双尺度互联孔网络结构，宏观孔隙（324±37μm）促进细胞迁移，纳米孔隙（85±28nm）增强蛋白吸附。3.3小节的力学性能测试表明THMH表现出典型的弹性体行为，拉伸强度达1.9±0.3MPa，循环拉伸加载后仍保持90.6%的原始强度。3.4小节的体外生物学评价证实THMH具有优异生物相容性，NPH层通过促进AGG、SOX9和COLⅡ基因表达显著增强软骨分化，HPH层通过提高RUNX2、BMP2等成骨标志物表达促进骨形成。3.5小节的动物实验显示THMH组在12周时实现近乎完整的软骨缺损修复，Micro-CT分析显示骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数量（Tb.N）等参数显著优于对照组。3.6小节的转录组分析揭示NPH可能通过机械刺激和KGN激活整合素-PI3K-AKT信号轴促进软骨再生，而HPH则通过改善内部缺氧环境促进成骨分化。

研究结论表明，THMH通过整合拓扑层级结构、力学梯度和3D打印精度，实现了骨软骨缺损的结构功能一体化修复。其创新性在于建立了从材料设计到分子机制的系统性研究体系，不仅为解决复杂骨软骨再生挑战提供了转化范式，也为其他组织工程领域的研究提供了重要参考。该研究的成功实施标志着骨软骨再生领域向临床转化迈出了关键一步，具有重要的科学价值和临床应用前景。