三维打印仿生细胞外基质形态调控细胞行为的机制与应用研究

这篇研究通过高精度三维（3D）打印技术构建形态可调的工程化细胞外基质（ECM）支架，系统解析了ECM形态特征（如曲率差异）对细胞迁移、排列及功能的调控机制。研究发现细胞优先向低曲率（>1.6倍差异）区域迁移，并通过伪足感知ECM拓扑特征，最终通过机械转导（mechanotransduction）途径影响基因表达和细胞命运。该研究为组织工程中ECM结构设计提供了新范式。

　　

形态引导的细胞行为调控：三维打印工程化ECM的突破

细胞对厚ECM形态的偏好性

研究采用熔融电写（MEW）技术，以聚己内酯（PCL）为材料打印出纤维直径分别为19.86±0.21 μm（厚）和5.02±0.13 μm（细）的异质性ECM网格支架。活细胞成像显示，72.8%的骨髓间充质干细胞（BMSCs）在3小时内向厚纤维区域迁移，形成定向排列。有限元模拟揭示，细胞在细纤维上承受10 nN/μm²的弯曲应力，而厚纤维可最小化形变能，符合杨-拉普拉斯方程（ΔP=σ(1/R_scaffold-y+D_cell-y)）描述的力学平衡原理。

曲率而非黏附位点驱动细胞选择性迁移

通过表面修饰（明胶/GelMA增强黏附或琼脂/PDMS抑制黏附）实验，证实细胞迁移偏好性与黏附位点密度无关。热压重塑实验将纤维曲率降为零后，细胞各向同性排列。关键阈值实验表明，当相对曲率差（RC=Max(m,n)/Min(m,n)）>1.6时，细胞显著趋向低曲率区域（p<0.05）。

伪足介导的ECM曲率感知机制

抑制剂实验显示，抑制Formin通路（SMIFH2处理）使细胞丧失曲率识别能力，而Arp2/3抑制剂（CK666）仅阻碍迁移。免疫荧光显示，丝状伪足（filopodia）通过扫描ECM拓扑结构传递力学信号，激活RhoA/ROCK通路调控肌动蛋白重构。

ECM通过机械应力调控细胞功能

转录组分析发现，异质性ECM中YES1、YAP1等机械敏感基因表达上调2.1倍（p<0.001），RUNX2等成骨标志物显著升高，而SOX9等软骨相关基因下调。核形态分析显示，细胞核长宽比在异质ECM中增加37%（p<0.005），核纤层蛋白A/C表达增强，证实机械应力通过核变形影响表观遗传调控。

时空特异性的生物学效应

延长培养至28天后，异质ECM中血管内皮生长因子（VEGFA）表达量达均质ECM的3.2倍（p<0.01），而增殖标志物MKI67下降60%。碱性磷酸酶（ALP）染色和茜素红（ARS）钙沉积实验证实，异质ECM可诱导BMSCs向成骨方向分化，为骨再生医学提供新策略。

该研究首次建立ECM形态-细胞行为-功能输出的定量关系，为仿生组织构建和创伤修复提供了理论依据与技术支撑。