脂肪组织工程超材料的多尺度力学设计及仿生构建策略

【推荐】针对脂肪组织修复中机械支架缺乏仿生特性的临床难题，意大利帕多瓦大学研究团队通过建立多孔超材料的计算力学框架，系统解析了孔隙结构参数与宏观力学性能的映射关系。研究发现蜂窝状单元胞体的几何构型（长径比、壳体厚度）和材料模量可独立调控材料的线弹性、屈曲和强化阶段刚度，其中壳体厚度对初始刚度影响达数量级差异。基于此设计的多孔超材料在90%压缩应变下仍保持稳定响应，其压缩模量（10-1~102 kPa）和压痕硬度（0.1~10 kPa）覆盖了皮下脂肪、网膜脂肪等多种组织的力学特性范围。该研究为开发具有组织特异性力学适配性的再生医学支架提供了新范式。

　　

脂肪组织工程超材料的多尺度力学设计及仿生构建策略

脂肪组织作为人体重要的能量储存与机械缓冲器官，其缺损修复面临再生能力差、力学适配性不足等挑战。传统硅胶植入物存在生物相容性缺陷，自体脂肪移植则受限于供体不足与力学性能失配。近年来，生物超材料因其可编程的微观结构与超常力学特性，成为构建功能性软组织支架的新兴方向。然而，现有研究多聚焦单一尺度的孔隙优化，缺乏对多层级力学响应的系统解耦。

为此，意大利帕多瓦大学（University of Padova）研究团队提出了一种跨尺度计算力学框架，用于指导脂肪组织工程超材料的仿生设计。通过建立球壳-薄壁单元胞体的参数化模型，结合有限元分析与实验验证，系统揭示了单元尺寸（L=1.2-1.4 mm）、壳体厚度（s=0.05-0.2 mm）、材料模量（E=1-2000 kPa）等参数对压缩力学行为的影响规律。研究发现：

1. 结构参数影响机制

   • 单元长度（L）与壳体直径（D）呈非线性关系：L增大降低初始刚度（E?下降36%-55%），D增加则导致屈曲临界应力（σ_b）提升2.3倍（图5a-b）
   • 壳体厚度（s）对力学性能起主导作用：s从0.05增至0.2 mm时，初始刚度提升11倍（E?从0.85 kPa升至9.3 kPa），且过渡应变（ε_t）保持稳定（图8a）
   • 材料模量（E）呈现指数级调控效应：E从1 kPa增至2000 kPa时，强化区刚度（E_s）跨越4个数量级（图9e）

2. 异向性特征
   加载角度（A=0°-45°）引起刚度各向异性，最大差异达28%（E?在0°/45°分别为1.2/0.9 kPa），表明可通过取向排列实现空间力学适配（图10a）。

3. 实验验证
   采用生物3D打印技术制备的5×5×5单元胞体原型（材料模量1 MPa）经压缩测试证实：实验数据与模拟结果高度吻合（R2=0.96），验证了模型的可靠性（图13）。

该研究首次建立了脂肪组织力学特性与超材料微观结构的定量关联，提出的参数化设计方法可为个性化软组织支架的开发提供理论支撑。通过调节壳体厚度与单元尺寸，可分别控制初始顺应性与后期支撑强度，实现"刚柔并济"的力学适配。研究证实超材料在90%压缩应变下仍保持结构完整性，其宽幅可调的力学窗口（10?1~102 kPa）完美覆盖脂肪组织生理载荷范围（0.1-100 kPa）。未来结合生物降解特性与细胞负载功能，有望开发出兼具力学引导与组织再生能力的智能型植入体，推动脂肪组织工程从形态重建向功能重塑的跨越。