支架结构力学介导的骨再生：石墨烯、富勒烯和金刚石支架通过应力刺激促进成骨分化的机制研究

本研究针对骨缺损修复中支架结构诱导的应力刺激(SASS)生物学机制不明这一关键问题，通过设计石墨烯(GP)、富勒烯(FL)和金刚石(DM)三种梯度应力支架，结合单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术，揭示了SASS通过激活黏着斑(FA)和细胞外基质受体相互作用(ERI)通路促进间充质干细胞(MSCs)成骨分化，并平衡破骨细胞(OCs)骨吸收与成骨细胞(OBs)骨形成的机制。该研究为骨组织工程支架设计提供了新的力学调控策略，发表于《Science Advances》。

　　

在骨组织工程领域，修复大段骨缺损始终面临重大挑战。虽然人工支架已被广泛应用于临床，但传统羟基磷灰石(HA)粉末存在异位骨化风险且力学传导性能不足，而三维打印聚乳酸(PLA)支架虽能弥补这些缺陷，其结构设计如何通过力学微环境调控细胞行为仍缺乏机制研究。更关键的是，支架结构诱导的应力刺激(Scaffold Architecture-induced Stress Stimulation, SASS)如何影响成骨进程中的生物学机制，这一科学问题长期悬而未决。

针对这一瓶颈问题，四川大学华西口腔医学院的研究团队创新性地从碳晶体结构中获得灵感，设计出具有梯度应力刺激特性的三种支架：石墨烯(GP)、富勒烯(FL)和金刚石(DM)结构支架。通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)等技术，系统揭示了SASS通过机械信号转导促进骨再生的分子机制，相关成果发表在《Science Advances》上。

研究主要采用四大关键技术：1）基于数字光处理(DLP)的三维打印技术制备梯度结构支架；2）有限元分析(FEA)量化不同支架的应变分布特征；3）单细胞RNA测序解析细胞异质性及机械通路激活状态；4）建立大鼠和巴马猪临界尺寸骨缺损模型进行体内验证。

架构设计验证
通过有限元分析发现，金刚石(DM)支架在10%压缩变形下呈现最均匀的应变分布（平均应变0.15±0.02），显著高于石墨烯(GP)支架（0.03±0.11）。压缩测试显示DM支架具有最优力学性能（抗压强度28.7 MPa，模量1.5 GPa），其断裂形貌扫描电镜(SEM)显示均匀微裂纹，印证了FEA结果。

SASS调控成骨分化
scRNA-seq分析揭示：DM支架组间充质干细胞(MSCs)比例最高（39.9% vs GP组16.6%），且机械通路显著富集。关键基因表达显示，纤维连接蛋白(FN1)和骨涎蛋白(IBSP)在DM组表达量较GP组提升3.2倍，同时肌动蛋白调控基因DSTN上调2.8倍，证实SASS通过黏着斑(FA)和细胞外基质受体相互作用(ERI)通路激活细胞骨架重组。

骨吸收-形成平衡调控
破骨细胞(OCs)分析显示，DM组溶酶体通路基因ACP5表达量较GP组增加2.1倍，且IL-17信号通路激活；而成骨细胞(OBs)中骨形态发生蛋白6(BMP6)表达提升1.8倍，通过TGF-β通路促进基质合成。这种双向调控使DM组骨体积分数(BV/TV)在12周时达到68.7%，显著高于GP组(41.3%)。

大动物模型验证
在巴马猪实验中，DM支架植入8个月后微CT显示新生骨小梁厚度(Tb.Th)达0.32±0.05 mm，是GP组的1.7倍。步态分析证实DM组肢体功能完全恢复，而GP组仍存在显著跛行。免疫组化显示DM组骨钙素(OPN)阳性细胞密度较GP组高83%，印证其优异的骨重塑能力。

这项研究首次系统阐明了支架结构力学通过SASS调控骨再生的生物学机制，创新性地提出"机械疗法"概念——仅通过支架结构设计即可实现无外源刺激的骨修复。该发现不仅为骨组织工程支架设计提供了全新范式，更揭示了机械信号转导与细胞命运调控的深层关联，对肌肉、软骨等力学敏感组织的再生研究具有重要借鉴意义。值得注意的是，DM支架展现的均匀应变分布特性，为开发下一代智能仿生材料指明了方向。未来研究可进一步优化SASS参数，探索其在多组织协同再生中的应用潜力。