仿生各向异性分层支架在受力方向上传递应力，促进骨骼快速再生

《Biomaterials》：Biomimetically Anisotropic Hierarchical Scaffold Mediating Stress Transmission along the Direction of Force Loading for Rapid Bone Regeneration

人工骨支架的各向异性多孔结构通过亚大气压辅助反溶剂相分离技术制备，发现支架方向与载荷方向一致时，应力分布最均匀、总应变最大、应力松弛最快、粘弹性恢复最强且蠕变最小，从而提供最佳力学刺激促进成骨细胞增殖分化。研究揭示了梯度应力分布对骨再生调控的作用机制，为人工骨结构设计提供了理论依据。

　　本研究聚焦于人工骨支架的机械传导特性对骨生成能力的影响，旨在通过结构设计优化支架的应力传递性能，从而促进新骨形成。研究团队采用了一种基于亚大气压引导的反溶剂相分离技术，成功制备了具有各向异性与分层多孔结构的支架。通过调控支架的孔道方向与载荷方向之间的角度，研究人员发现支架的应力传递能力会发生相应变化，而当支架的孔道方向与载荷方向一致时，能够实现最均匀的应力分布、最大的总应变、最快的应力松弛、最强的非弹性恢复以及最小的蠕变现象。这种特性不仅意味着支架能够为附着细胞提供最强的机械刺激，而且在支架发生形变的过程中，还能为细胞提供最有力的支持。整体来看，这种设计有助于在支架变形过程中将应力高效传递给附着细胞，从而有效促进新骨生成。

在骨组织工程领域，骨细胞外基质（ECM）是实现有效骨组织再生的关键因素。骨ECM主要由排列整齐的I型胶原纤维和碳酸羟基磷灰石纳米晶体组成，并辅以多种蛋白聚糖、糖蛋白以及非胶原蛋白。在生理条件下，骨ECM与成骨细胞之间存在动态互作，不仅为细胞提供机械支持，还通过结合生长因子和细胞因子，向成骨细胞传递多种功能信号，从而调节其代谢和分泌活动。骨ECM所构建的微环境具有高度动态性，受到机械特性、pH值、氧气浓度和激素信号等多种因素的影响。这种复杂的微环境不仅影响细胞的黏附、迁移、增殖、分化和凋亡，还调节细胞因子的活性和细胞内信号传导通路。因此，ECM的结构和功能对于骨组织的特定行为至关重要，而设计和合成能够模拟天然ECM的新型生物材料，则对软骨和骨组织工程以及再生医学具有重要意义。

在人工骨支架的微环境中，机械环境被认为是影响细胞行为的最关键因素之一。这是因为成骨细胞系对机械应力具有高度敏感性。支架的机械环境能够显著影响多种细胞行为，包括成骨细胞的迁移、增殖和成骨分化。例如，Adebowale等人发现，当支架具有较低模量和较快的应力松弛特性时，能够促进细胞的迁移速度。Qin等人则通过设计具有模量梯度的两阶段金属支架，不仅确保了机械支持，还提升了支架的应变能力，从而上调了钙通道和HIF-1α的表达，进一步增强了成骨和血管生成。在人工骨支架中，机械环境主要由支架的多孔结构及其固有机械性能决定。支架的微观几何结构和局部曲率能够影响细胞的黏附状态，进而影响细胞与ECM之间的相互作用，以及支架在形变过程中对细胞施加的应力刺激。通过调控多孔结构，支架可以实现不同的压缩和粘弹性特性，这些特性会直接影响应力向附着细胞的传导。

为了探究支架多孔结构对人工骨支架骨生成能力的影响，研究人员主要采用三维（3D）打印技术来制造具有不同结构的支架。例如，Zhang等人发现，采用三重周期最小表面结构设计的支架具有较高的压缩强度，能够满足人体皮质骨的强度需求。他们进一步通过体内载荷模型证明，这种结构具有优异的骨生成能力。此外，Zhang等人还观察到，支架内的多边形结构设计不仅能够增强骨生成，还能促进血管生成和神经生成。然而，这些研究主要集中在支架结构设计的创新性及其与骨修复能力的相关性，而对于支架变形后应变分布对骨生成性能的影响尚未进行系统性的分析。同时，也缺乏对局部附着细胞所承受的实际应力大小和性质的深入探讨。

本研究基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），这是一种具有体内稳定性和生物相容性的聚合物，常用于骨水泥。通过开发一种亚大气压引导的反溶剂诱导相分离（SAIPS）技术，研究人员成功制备了具有高度方向性和一致性的各向异性支架，并且这些支架具有分层多孔结构，有利于细胞的黏附。利用这种仿生各向异性与分层多孔结构的支架，研究团队进一步探究了不同孔道方向与载荷方向之间的角度对支架在体内承重区域骨生成性能的影响。同时，采用高通量测序技术，分析了不同应力传递方式如何通过影响骨生成的特定机械通路来调控骨生成过程。

当支架的孔道方向与载荷方向一致时，支架表现出最显著的均匀应变分布，总应变达到最大值，从而为附着细胞提供强烈的机械刺激。在这种情况下，各向异性支架的粘弹性特性与皮质骨和松质骨在轴向方向与载荷方向一致时的特性相似。同时，支架表现出最佳的骨修复效果。因此，本研究系统地描述了不同角度的各向异性支架在机械传导方面的特性对骨生成结果的影响。研究结果对人工骨支架的结构设计具有重要的指导意义，并为机械诱导骨生成的理论研究提供了新的视角。

在实验过程中，研究团队还详细记录了材料的来源和制备方法。所使用的PMMA颗粒（Mw=120000）由Sigma-Aldrich（美国）提供，而聚乙烯亚胺（Mw=10000）则由Aladdin（上海，中国）提供。支架的制备过程包括将PMMA颗粒加入二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，并在60°C下搅拌直至完全溶解，以获得聚合物前驱体。随后，将聚合物溶液转移至模具中，并在湿度为100%、温度为40°C的环境中静置24小时。这一过程有助于形成具有特定结构的支架，从而实现所需的机械性能。

此外，研究团队还采用了多种先进的分析技术来评估支架的性能。例如，通过有限元模拟软件ABAQUS进行支架的应力分布和变形行为分析，通过原子力显微镜（AFM）测试支架的表面特性，通过微CT分析支架在体内的结构和骨整合情况。这些技术的应用不仅提高了研究的精确性，还为理解支架的机械行为提供了重要的实验依据。

本研究的成果对于未来人工骨支架的设计和应用具有深远的影响。通过揭示支架结构与应力传递之间的关系，研究人员能够更精确地调控支架的机械性能，从而优化其在体内环境中的表现。这种结构设计不仅有助于提高支架的骨生成能力，还能够增强其在承重区域的稳定性，为骨组织工程提供新的思路和方法。同时，研究还强调了在支架设计过程中，应充分考虑机械环境对细胞行为的影响，从而实现更高效的骨再生。

在实际应用中，人工骨支架的结构设计需要结合多种因素，包括材料选择、制造工艺、机械特性以及生物相容性。本研究通过开发一种新型的SAIPS技术，不仅实现了支架的各向异性与分层多孔结构，还通过实验验证了这种结构在不同角度下的机械传导性能。这种技术的应用有望推动人工骨支架的进一步发展，使其在临床应用中更具优势。此外，研究还表明，通过调控支架的应变分布和应力传递方式，可以显著影响细胞的活动和功能，从而促进新骨的形成。

本研究的意义不仅在于技术的创新，还在于对骨生成机制的深入理解。通过实验数据和理论分析，研究人员发现支架的结构和机械特性在骨生成过程中起到了关键作用。这为未来人工骨支架的设计提供了科学依据，同时也丰富了机械诱导骨生成的理论体系。在骨组织工程的发展过程中，支架的结构设计和性能优化一直是研究的重点。本研究通过引入一种新的制造方法，成功实现了支架的结构调控，并验证了其在不同角度下的机械传导性能。这种研究不仅有助于提高人工骨支架的临床应用效果，还为相关领域的基础研究提供了新的方向。

综上所述，本研究通过开发一种新型的亚大气压引导的反溶剂相分离技术，成功制备了具有各向异性与分层多孔结构的人工骨支架。通过调控支架的孔道方向与载荷方向之间的角度，研究人员发现支架的应力传递能力和骨生成性能发生了显著变化。当支架的孔道方向与载荷方向一致时，能够实现最均匀的应力分布、最大的总应变、最快的应力松弛、最强的非弹性恢复以及最小的蠕变现象，从而为细胞提供最强的机械刺激和最有力的支持。这种研究不仅揭示了支架结构与骨生成之间的关系，还为未来人工骨支架的结构设计和性能优化提供了重要的科学依据。同时，本研究还强调了在支架设计过程中，应充分考虑机械环境对细胞行为的影响，以实现更高效的骨再生。这些发现对于骨组织工程和再生医学的发展都具有重要的指导意义。