仿乌贼骨“S”形沟槽拓扑结构通过Rap1-ERK通路促进成骨分化的机制研究

针对骨缺损修复中拓扑结构调控机制不明的难题，研究人员通过仿生乌贼骨“S”形沟槽拓扑结构，采用液体硅胶模具复刻技术构建PCL膜，发现该结构通过接触引导（contact guidance）激活Rap1-ERK信号通路，显著提升MC3T3-E1细胞的ALP活性和矿化结节形成，为无生化诱导的骨再生材料设计提供新策略。

　　

骨缺损修复一直是临床面临的重大挑战，传统治疗方法如自体骨移植存在供区并发症和免疫排斥等问题。尽管生物材料拓扑结构对骨再生的调控作用已被认识，但特定形态特征（尤其是无生化诱导条件下）驱动成骨的机制仍不清楚。南京中医药大学（根据基金项目推断）的研究团队从乌贼骨（Sepia esculenta）中获取灵感，聚焦其独特的“S”形沟槽拓扑结构，试图揭示纯物理拓扑结构促进成骨分化的奥秘。

研究人员采用液体硅胶模具复刻技术，成功构建了具有精确“S”形沟槽（宽度100±30 μm，深度20±6 μm）的聚己内酯（PCL）仿生膜。通过SEM和CLSM表征确认结构复现精度后，发现该拓扑结构能通过接触引导（contact guidance）定向调控大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）的黏附和增殖，并显著增强小鼠前成骨细胞（MC3T3-E1）的碱性磷酸酶（ALP）活性和矿化结节形成。机制研究表明，“S”形沟槽通过上调Rap1表达和增强ERK磷酸化，激活Runx2、OPN等成骨标志物表达。这项发表于《Biomaterials Advances》的研究，首次阐明乌贼骨拓扑结构通过Rap1-ERK机械转导通路独立促进成骨分化的机制。

关键技术包括：1）基于乌贼骨有机膜（CDOM）的液体硅胶模具复刻技术；2）rBMSCs和MC3T3-E1细胞的体外培养模型；3）基于二甲基标记的定量蛋白质组学分析；4）Western blot和RT-qPCR信号通路验证。

研究结果：

1. “S”形沟槽拓扑结构的制备与表征
   通过优化EDTA脱钙和硅胶铸造工艺，实现CDOM拓扑结构的高保真复刻，沟槽尺寸变异系数<15%。

2. 细胞行为调控
   CLSM显示rBMSCs沿沟槽方向延伸伪足，肌动蛋白纤维（F-actin）定向排列，增殖率较平面组提升1.8倍（p<0.01）。

3. 成骨效能验证
   “S”形沟槽使MC3T3-E1的ALP活性提高2.3倍（第7天），钙结节面积增加4.1倍（第21天，p<0.001）。

4. 机制解析
   蛋白质组学筛选出Rap1-ERK通路关键蛋白差异表达（Rap1上调1.7倍，p-ERK/ERK比值增加2.1倍），沉默Rap1可逆转成骨效应。

该研究创新性地证明，单纯物理拓扑结构可通过机械转导通路模拟生化诱导效果。这不仅为理解乌贼骨生物矿化机制提供新视角，更为设计无生长因子的骨再生材料开辟了新途径。作者团队提出的“拓扑-力学-生物学”级联调控模型，有望解决现有仿生骨膜材料功能同质化难题。值得注意的是，研究中采用的模具复刻技术具有成本低、易规模化的优势，对临床转化具有重要价值。