3D生物打印辅助构建具有几何图案的干细胞负载杂化生物补片：模拟规则与不规则结缔组织力学特性的创新策略

（编辑推荐）本研究通过3D生物打印技术构建了扁桃体间充质干细胞（TMSC）负载的胶原生物墨水与几何图案化聚合物支架的杂化生物补片，其中手性（chiral）和V形（chevron）图案分别模拟不规则与规则结缔组织的力学特性。该平台实现了力学兼容性设计，显著提升补片的拉伸强度（43.1±5.1 kPa）和抗疲劳性（50次循环后能量保留>95%），并在猪口腔黏膜缺损模型中证实手性图案补片通过促进上皮连续性（修复率69.7±5.5%）和基底标志物（K15）表达优化再生效果。

　　

摘要

结缔组织具有从规则组织的单向刚度到不规则组织的多向顺应性等多样化力学行为。本研究开发了一种新型生物制造平台，通过将扁桃体来源间充质干细胞（TMSC）负载的胶原生物墨水与3D打印聚合物图案结合，构建杂化生物补片。手性和V形几何图案分别模拟不规则与规则结缔组织的力学特性：手性图案展现准各向同性行为（弹性模量36.76±6.4 kPa，屈服应变0.709±0.050），而V形图案呈现显著各向异性（沿主轴向模量75.88±5.80 kPa，横向19.08±3.2 kPa）。在猪黏膜缺损模型中，手性图案补片通过缩小创缘间隙（口腔黏膜修复率69.7±5.5%）、形成连续上皮层（厚度315±43 μm）及上调角蛋白10（K10）表达，证实力学匹配对再生效果的促进作用。

1 引言

结缔组织的力学特性由其胶原纤维排列决定：规则组织（如肌腱）具有高度定向的纤维网络（弹性模量500–1500 MPa），而不规则组织（如口腔黏膜）的随机纤维网络则表现出多向顺应性（模量10–100 kPa）。研究团队提出通过几何图案化策略模拟这种差异，选用聚己内酯（PCL）打印手性（模拟不规则组织）和V形（模拟规则组织）图案，并整合至1.0%胶原生物墨水（存储模量252.2±8.9 Pa）中，以平衡TMSC活性（存活率>95%）与结构稳定性（5天收缩率<8%）。

2 结果

2.1 可调力学性能的3D打印聚合物图案

通过挤出式3D打印制备四种PCL图案：网格状（lattice）、蜂窝状（honeycomb）适用于静态负载，手性和V形图案针对动态环境设计。标准化质量（0.2 mm厚度）下，V形图案沿主轴向展现最高拉伸强度（43.8±3.1 kPa），而横向旋转后（chevron transverse）应变能力提升至1.2428±0.0388。手性图案则呈现平衡的力学性能（模量36.76±6.4 kPa，断裂应变0.4885±0.0254）。

2.2 杂化补片的力学强化

将图案嵌入TMSC-胶原构建体后，V形杂化补片表现出最高模量（81.2±8.5 kPa）和强度（43.1±5.1 kPa），而手性补片保持高延展性（屈服应变0.71±0.05）。循环测试中，杂化补片50次循环后能量保留率>96%，显著优于纯胶原组（第7次循环即断裂）。

2.3 体内再生验证

在猪口腔黏膜和舌侧缺损模型中，手性补片表现出最佳上皮再生效果：口腔黏膜伤口闭合率（69.7±5.5%）和上皮厚度（315±43 μm）均显著高于V形组（55.8±5.0%，210±28 μm），免疫荧光显示连续的K10⁺/K15⁺上皮-基底结构。

3 讨论

该研究创新性地通过几何图案实现组织特异性力学模拟：手性图案的准各向同性行为匹配黏膜的多向应力需求，而V形图案的定向刚度模拟肌腱的力学传导。PCL框架（降解周期约2年）的长期影响需进一步评估，但短期结果证实机械匹配可促进干细胞旁分泌（如上调SOX2表达）和宿主整合。

4 结论

3D打印几何图案提供了一种可编程的力学设计范式，其与干细胞-生物墨水的模块化整合为软组织修复提供了兼具力学适配性和生物活性的解决方案。未来可通过参数化优化（如单元尺寸、纤维取向）拓展至肌腱等规则组织再生领域。

5 实验方法

技术细节包括：PCL打印参数（100°C，300 mm min^?1，200 μm喷嘴），TMSC分离（胶原酶I消化），qPCR检测干性标志物（OCT4/SOX2/NANOG），以及猪模型手术（全层黏膜缺损10×10 mm²，5-0 Vicryl缝合）。统计分析采用ANOVA与Tukey检验（n=4，p<0.05）。