《Applied Materials Today》：Data-driven volumetric printing of biomimetic hydrogels enables control of interstitial flow and shear stress
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骨质疏松改变骨小梁结构，减少成骨剪切应力（osteogenic shear stress）。基于SRμCT（同步辐射显微计算机断层扫描，Synchrotron Radiation Micro-Computed Tomography）的Voronoi支架复制骨中
骨质疏松改变骨小梁结构，减少成骨剪切应力（osteogenic shear stress）。基于SRμCT（同步辐射显微计算机断层扫描，Synchrotron Radiation Micro-Computed Tomography）的Voronoi支架复制骨中尺度特征。Xolography（双色光聚合技术）能够精确制造仿生水凝胶支架。可调架构控制渗透性（permeability）和壁剪切应力（Wall Shear Stress, WSS）范围。该平台在体外保留条件特异性流体-结构线索。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
骨组织在损伤后具有显著再生能力，但临界尺寸缺损和骨质疏松症患者中这一能力受损。骨质疏松症是全球最常见的骨病，以骨量减少和微结构退化为特征，导致骨折风险增加。当前骨组织工程（Bone Tissue Engineering, BTE）中，支架不仅作为植入物，也作为体外模型研究疾病进展和治疗策略。天然松质骨具有分级结构，其中小梁架构（mesoscale trabecular architecture）主导间质液流动（interstitial fluid flow），进而调节骨细胞承受的机械环境，特别是壁剪切应力（Wall Shear Stress, WSS）。间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells, MSCs）感知WSS后促进成骨分化和基质矿化。然而，骨质疏松如何改变小梁结构并影响间质液动力学尚缺乏共识，现有研究结果矛盾。因此，开展本研究旨在通过数据驱动方法，利用同步辐射显微计算机断层扫描（SRμCT）提取健康与骨质疏松骨小梁形态参数，生成仿生支架，并评估其流体动力学性能，为体外研究机械转导提供平台。
**研究方法概述**
研究人员从20例女性股骨头（10例健康，10例骨质疏松，年龄58–88岁）获取小梁骨样本（4×4×6 mm），采用SRμCT（Elettra同步辐射设施，SYRMEP光束线）成像，提取骨体积分数（BV/TV）、小梁厚度（Tb.Th）、小梁间距（Tb.Sp）、连接密度（Conn.D）和各向异性度（DA）等形态参数。基于这些参数，通过Voronoi生成设计（Grasshopper插件，Rhinoceros 8）构建支架几何，并简化以匹配Xolography打印分辨率。使用四种PEGDA/PEGDMA比例的水凝胶配方（40%PEGDA、30%PEGDA–10%PEGDMA、20%PEGDA–20%PEGDMA、40%PEGDMA）进行Xolography（定制打印机，xolo GmbH）打印，评估打印精度、力学性能（压缩测试、微压痕测试）、膨胀行为及细胞代谢活性（hMSCs，源自健康成年男性供体，Lonza）。最后，通过计算流体动力学（CFD）模拟（COMSOL Multiphysics，层流稳态Navier-Stokes方程）分析支架及原生骨样本的渗透性和WSS分布。
**研究结果**
**3.1 计算生成设计**：SRμCT分析显示，骨质疏松组BV/TV显著降低（28.4%±6.2% vs 21.0%±5.5%，p=0.011），Tb.Sp显著增大（1.008±0.344 mm vs 0.673±0.145 mm，p=0.015），DA显著升高（0.664±0.127 vs 0.534±0.089，p=0.017），而Tb.Th和Conn.D无显著差异。基于Voronoi生成的支架成功匹配健康与骨质疏松骨的BV/TV，但Tb.Th和Tb.Sp略有偏离，通过简化调整后接近目标值。
**3.2 Xolography 3D打印-光聚合物配方**：四种配方中，40%PEGDA和30%PEGDA–10%PEGDMA表现出宽加工窗口和高重复性，PEGDMA含量升高导致分辨率下降。40%PEGDA的平均尺寸精度最高（89.7%），30%PEGDA–10%PEGDMA为64.0%。所有配方均无法打印直径<0.3 mm的梁。
**3.3 力学表征**：膨胀测试显示所有配方在21天内体积膨胀比接近1，表明尺寸稳定。压缩测试杨氏模量（E）随PEGDMA增加先降低后升高（40%PEGDMA异常高，因需更高能量剂量）。微压痕测试结果低于压缩值，但空间均匀性良好。
**3.4 生物学表征**：无RGD功能化时，细胞代谢活性随PEGDMA增加而升高，但远低于TCPS对照。RGD功能化后，含PEGDMA的配方代谢活性显著提升，最高达对照的65%（40%PEGDMA配方）。30%PEGDA–10%PEGDMA功能化后，hMSCs在2天后呈伸展形态。
**3.5 Xolography打印骨仿生支架**：选择30%PEGDA–10%PEGDMA配方，成功打印健康支架（4×4×3 mm和7×7×3 mm），平均线性尺寸偏大约11–13%。骨质疏松支架因孔隙率过高、支撑不足而无法打印。
**3.6 CFD模拟结果**：健康支架在0.15–0.25 mm/s入口流速下产生WSS处于成骨范围（0.11–10 mPa），其中>0.55 mPa的区域促进矿化。骨质疏松支架渗透性更高，但WSS整体降低，矿化促进区域减少。与原生骨样本比较，WSS分布趋势一致，且健康支架与健康骨之间、骨质疏松支架与骨质疏松骨之间，矿化促进区域面积百分比无显著差异（p=0.343和p=0.686）。渗透性值也相近。
**讨论与结论**
讨论部分指出，骨质疏松导致BV/TV降低、Tb.Sp增大和DA增加，与文献一致，而Tb.Th和Conn.D无明显变化，可能源于骨重塑的竞争机制。Voronoi设计方法灵活可调，能有效复制骨结构。打印水凝胶的优化表明，PEGDA/PEGDMA比例需平衡打印精度、力学性能和生物活性。CFD模拟揭示，健康支架成功复制了骨间质液流动特征，而骨质疏松支架因结构改变导致WSS减弱，可能引发骨形成减少的恶性循环。结论部分翻译如下：本研究推进了对骨小梁结构如何控制生理和病理状态下间质液流动的理解，揭示了骨质疏松骨比健康骨具有更高的渗透性和更低的壁剪切应力，从而改变了骨细胞的力学相关信号。作为概念验证，它证明了整合生成性支架设计和CFD模拟能够成功地将健康和病变骨的关键结构和流体动力学特征转化为简化几何体，通过剪切应力保留功能上有意义的细胞刺激。为向实验应用迈出一步，研究人员使用适用于细胞培养和体外使用的PEG基水凝胶，通过Xolography打印了健康骨启发支架，但骨质疏松设计证明具有挑战性，需要可打印性优化。自然下一步是在动态培养条件下实验验证细胞行为，从而评估这些力学衍生信号对细胞反应的影响。此外，扩展形态计量分析中的骨样本数量将为骨质疏松相关结构变异性提供更全面的表征。该论文发表在《Applied Materials Today》。
