3D打印钛支架表面机械生物学调控人间充质干细胞成骨/成血管/成肌协同分化机制研究

这篇研究揭示了3D打印钛支架（Ti）表面形貌通过机械转导（mechanotransduction）调控人间充质干细胞（hMSCs）多向分化的新机制。研究发现电子束熔融（EBM）技术构建的层级粗糙表面（Ra≈65 μm）可促进细胞簇集并激活成骨基因（Runx2/COL1A1），而动态力学加载（1 Hz，2400 μ应变）进一步协同上调血管生成（VEGFA/ANGPT1）和肌源性（ACTA2/DES）通路，为开发具有治疗功能的脊柱融合植入物提供了新策略。

　　

摘要

本研究通过电子束熔融（EBM）技术构建了具有分级粗糙度的3D打印钛支架（Ti 6Al-4V ELI），发现其表面形貌可显著调控人间充质干细胞（hMSCs）的命运决定。与光滑表面相比，具有90 μm层厚（3D2组）的粗糙表面展现出更高的算术平均粗糙度（R_a=65±6 μm）和峰度值（S_ku=3.40），这种仿生结构模拟了骨吸收陷窝的形态特征。hMSCs在3D2表面形成类小梁骨排列的细胞簇，并显著上调成骨标志物（Runx2/OPN/COL1A1），其效果堪比传统酸蚀处理。

1 引言

随着老龄化加剧，退行性椎间盘疾病导致的脊柱融合手术需求激增。钛合金（Ti）因其优异的生物相容性成为主流植入材料，而4WEB医疗的桁架植入物通过EBM技术实现了开放架构设计，其表面微纳结构可促进骨重塑。研究团队创新性地发现：桁架结构在生理载荷下会产生异质性应变分布（压缩/拉伸），这种力学微环境可能通过机械转导影响细胞分化。

2 结果与讨论

表面表征：3D2组通过激光显微镜显示出124.1 μm的峰高和165.7 μm的谷深，接触角（47.7°±3.8）显著低于光滑组（60.5°±3.8），表明粗糙表面增强了亲水性。

细胞行为：在静态培养中，3D2表面的hMSCs铺展面积减少25%，但形成明显的肌动蛋白（F-actin）应力纤维。RNA测序显示，即便在基础培养基（BM）中，3D2组也上调了骨相关基因（DCN/SPARC）和血管生成通路（VEGFA/FGF2）。

力学加载：三点弯曲试验证实3D2桁架的弯曲模量为123.3 N mm^-1。当施加1 Hz动态载荷（DL×3）时，有限元分析显示表面产生2400 μ应变，这与生理活动（如行走）的应变水平相当。值得注意的是，动态加载使成骨基因（OSX/IBSP）表达提升3倍，同时激活肌源性（ACTA2/SGCB）和血管生成（ANGPT1/EGFL7）标记物，暗示桁架结构可能通过RhoA/ROCK通路协调多系分化。

3 结论

该研究首次证明3D打印钛支架的粗糙表面与动态力学刺激具有协同治疗效应：表面形貌提供"锚定线索"促进细胞簇集，而桁架结构传导的机械应变则像"分子开关"般激活多向分化程序。这种机制为开发兼具骨整合与肌肉修复功能的智能植入物开辟了新途径。

4 实验方法

研究采用三组钛试样（光滑/50 μm/90 μm层厚），通过FE-SEM和3D激光显微镜量化表面特征。hMSCs取自3名男性供体（21-25岁），在定制生物反应器中接受周期性三点弯曲加载。转录组分析采用Illumina测序平台，数据通过gProfiler进行GO富集分析。统计显著性设定为p<0.05。