3D 打印拉胀双轴应变装置：开启组织工程力学刺激研究新征程

在组织工程领域，构建能对三维细胞基质施加多轴应变的系统颇具挑战。研究人员开展了基于 3D 打印拉胀蜂窝网的双轴应变装置研究。结果显示 PP 网性能更优，装置能诱导细胞双轴应变。这为机械生物学和组织工程研究提供了新工具。

　　在生命科学和医学研究中，机械力对细胞行为有着至关重要的影响。就像细胞生活在一个充满 “力” 的世界里，它们能够感知并响应周围物理环境的机械特性以及所受到的机械力。例如，早期研究发现，底物刚度就像一个 “指挥棒”，可以引导间充质干细胞分化。之后，还有许多研究通过对不同表型的细胞施加单轴拉伸、双轴拉伸和剪切应力等，来模拟细胞在体内可能经历的机械环境。
然而，在体外组织工程环境中，开发合适且符合生理相关性的生物力学信号却困难重重。目前，单轴拉伸细胞接种底物的研究较为常见，但相关设备往往价格昂贵，设计也多局限于单轴加载，而且只有特定的底物才能稳固地进行夹持。另外，虽然有一些研究细胞对双轴应变响应的装置，但大多基于薄而灵活的硅胶膜，只能适用于单细胞层的拉伸，无法扩展到具有复杂细胞空间分布的三维细胞底物。因此，开发一种经济实用的多轴底物拉伸装置迫在眉睫。
为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项创新研究。他们提出了一种基于胶原蛋白水凝胶细胞支架和二维拉胀（auxetic）再入蜂窝网的生物细胞底物拉伸装置。该研究成果发表在《Biomaterials Advances》上，为组织工程领域带来了新的突破。
研究人员在研究过程中，主要运用了以下关键技术方法：

• 3D 打印技术：采用 Prusa i3 MK2 3D 打印机，使用聚乳酸（PLA）和聚丙烯（PP）两种材料打印再入蜂窝网。
• 有限元分析（FE analysis）：利用 COMSOL Multiphysics? 软件对再入蜂窝网进行模拟，分析其在边界约束条件下的行为。
• 细胞实验：以人真皮成纤维细胞（HDFs）为模型，通过细胞培养、染色、接种等操作，观察细胞在应变装置中的形态变化和响应。
  下面来看看具体的研究结果：
• 模拟再入蜂窝网拉胀行为：有限元分析发现，边界约束对拉胀网有明显影响，边界附近的单元细胞受影响最大，中间的单元细胞表现出拉胀行为，应力集中在节点处。构建参数空间对比模拟和理论泊松比（PR），发现只有在低t_l/l、t_h/h和h/l的情况下，测量的 PR 才与理论值匹配。
• 3D 打印网材料和几何选择：打印不同几何形状的 PLA 和 PP 拉胀网进行测试。PLA 网在屈服前呈线性弹性，屈服后易发生脆性断裂；PP 网则表现出显著的延展性，有明显的屈服应变，且能将更多单轴应变转化为双轴应变。PP 网比 PLA 网更柔顺，拉伸模量约低 6 倍，极限拉伸应变约高 17 倍。
• 生物对拉胀双轴应变的响应：在未拉伸状态下，HDFs 在胶原凝胶中呈圆形，部分细胞有突起。拉伸后，HDFs 逐渐伸长，且随机排列，而对照组细胞保持球形。量化分析显示，拉伸组细胞的纵横比显著增加，而排列角度无明显变化，这证明了装置能实现双轴拉伸。
  研究结论和讨论部分表明，该研究意义重大。边界约束对 PLA 和 PP 拉胀网的影响不同，PP 网更适合作为应变装置材料，其较高的拉胀性和延展性有助于对组织工程底物施加更大的双轴应变。在单元细胞几何选择上，需要平衡双轴应变能力和机械性能。该装置成功诱导了底物的双轴拉伸应变，通过细胞纵横比增加和随机取向得以验证。这种方法将拉胀网作为机械刺激工具，而非细胞附着的结构支架，为研究机械生物学和组织工程提供了新的思路和方法，有望推动相关领域的进一步发展。