元生物材料中机械与形态测量性能的解耦

《Nature Communications》：Decoupling mechanical and morphometric properties in meta-biomaterials

　　

摘要：开发元生物材料的一个重大挑战是有效解耦其内在相互交织的机械性能（如弹性模量和剪切模量、泊松比及各向异性程度）、形态测量性能（如相对质量密度、孔径和表面积与体积比）以及质量传输性能（如渗透率）。为应对这一挑战，研究人员提出了一种通用框架，用于在非随机三维元生物材料中解耦机械与形态测量性能。研究人员首先推导了显式几何关系，以确定输入几何参数的上限和下限，同时确保与体外生物学条件的相关性。通过高通量数值均匀化方法（44,837次模拟）结合系统化的多目标优化，研究人员成功地将泊松比和相对质量密度与其他所有性能解耦，平均偏差低于约14%。优化后的元生物材料分别采用PolyJet三维打印和双光子聚合技术在宏观和微观尺度上进行了增材制造，并在有效弹性模量、泊松比和渗透率方面进行了实验验证。所建立的解耦框架为推进组织工程和细胞力学生物学研究提供了一条有前景的途径，能够独立研究各支架性能对细胞行为的影响。

元生物材料机械与形态测量性能解耦的研究解读

一、研究背景与问题

元生物材料是一类工程化的生物相容性材料，其独特性能源于微观架构设计而非材料本身成分。这类架构材料为生物医学工程等领域的实际应用提供了广阔的设计空间，能够实现传统生物材料无法达到的功能。然而，在元生物材料开发中面临的一个重大挑战是：材料的机械性能（如弹性模量、剪切模量、泊松比和各向异性程度）、形态测量性能（如相对质量密度、孔径和表面积与体积比）以及质量传输性能（如渗透率）之间存在内在的相互关联性。修改其中一个参数往往会引发其他参数的连锁变化，例如增加刚度通常会改变泊松比或渗透率。这种固有的耦合关系严重制约了在生物医学应用中独立研究单一支架性能对细胞行为影响的可能性。

尽管已有研究探讨了泊松比对细胞行为的影响，但这些研究往往涉及二维系统、接近零的泊松比值，或在不同方向上表现出各向异性响应，并未真正实现泊松比与其他材料性能的完全解耦。因此，建立一种系统化的方法，能够在三维支架设计中解耦各项机械和形态测量性能，对于组织工程和细胞力学生物学研究具有重大的科学意义和应用价值。本研究正是在这一背景下，旨在提出一种综合设计框架，用于创建具有可调谐且解耦的机械、形态测量和质量传输性能的三维非随机元生物材料。

二、研究内容与结论

研究人员提出了一种全面的设计框架，用于创建具有可调谐且解耦性能的三维非随机元生物材料。研究目标是最大限度地降低元生物材料各项性能之间的相互关联程度，所涉及的性能包括泊松比、有效弹性模量、有效剪切模量、Zener比（各向异性程度）、相对质量密度、孔径、渗透率、弯曲度、表面积与体积比以及拓扑连接性。

研究人员首先基于均匀化有限元分析系统性地探索了设计空间，识别出影响各项性能的关键几何输入参数。通过推导显式几何关系，确定了输入参数的上下限，并采用高通量数值均匀化方法进行了44,837次模拟。结合系统化的多目标优化策略，研究成功地将泊松比和相对质量密度与其他所有性能解耦，平均偏差低于15%。优化后的元生物材料分别采用PolyJet三维打印和双光子聚合技术在宏观和微观尺度上进行了增材制造，并通过实验验证了有效弹性模量、泊松比和渗透率等性能。

研究结果表明，元生物材料的泊松比可以在从强拉胀（v=-0.74）到适度正值（v=0.33）的范围内连续调谐，覆盖了三维架构材料的异常宽谱。在不同类别中，有效弹性模量和剪切模量表现出不同的分布特征。机械各向异性方面，尽管许多设计表现出A>1，但大多数值仍低于1。研究还发现，支柱直径对各项机械性能具有显著影响，而表面积与体积比主要取决于支柱直径，几乎不受支柱角度和长度的影响。该研究成果发表于《Nature Communications》，为组织工程和细胞力学生物学研究提供了重要工具，使研究人员能够独立研究支架各项性能对细胞行为的单独影响，从而加速组织工程优化支架的开发。

三、主要关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：第一，基于均匀化理论的有限元分析方法，该方法能够高效计算具有复杂微架构的元生物材料的宏观有效性能；第二，高通量数值模拟技术，总共进行了44,837次模拟，系统覆盖了设计空间；第三，多目标优化算法，通过定义相对偏差指标并设置不同的变化阈值（5%至30%），识别出能够实现目标性能最大对比度同时保持其他性能最小偏差的设计对；第四，两种增材制造技术——PolyJet三维打印和双光子聚合技术，分别在宏观和微观尺度上制造优化后的元生物材料；第五，实验表征技术，包括单轴压缩实验、渗透率测量和扫描电子显微镜成像等，用于验证数值预测的准确性。样本队列来源方面，本研究的实验材料为商用光聚合物VeroMagentaV?和IP-Q树脂。

四、研究结果

优化体素分辨率。研究表明，体素化质量对元生物材料机械行为的预测精度具有显著影响。通过系统变化每支柱体素数（从n_min=40到n_max=460），研究人员确定了最佳体素分辨率n=200，在此分辨率下，所选单元细胞的机械性能最大变化保持在可接受范围内，同时兼顾了计算效率。

元生物材料的机械性能。通过对设计的系统探索，研究人员发现泊松比可从小角度时的强拉胀值连续调谐到正值。有效弹性模量的最大值出现在中等L/H值和θ>90°的条件下，而有效剪切模量呈现出近似正态分布，在θ≈126.8°和L/H≈0.32处达到峰值。Zener比遵循与剪切模量相似的分布，在θ≈129.3°和L/H≈0.34处出现最大值。支柱直径增大会使拉胀行为减弱，同时提高弹性模量和剪切模量，但对各向异性影响较小。

元生物材料的形态测量性能。孔径、相对质量密度、表面积与体积比和弯曲度等形态测量性能随输入参数的变化表现出不同的分布特征。孔内尺寸随θ呈非单调变化，而孔间尺寸随θ和L正向变化。相对质量密度在Category I中当L/H>0.35时达到最高值。表面积与体积比主要取决于支柱直径。弯曲度在Category I中最高，在Category II中最低。

元生物材料性能的解耦。研究成功实现了泊松比和相对质量密度的解耦。对于泊松比，在20%的变化阈值下，配对设计间泊松比绝对差值约为174%，且其他性能的平均偏差低于15%。对于相对质量密度，解耦设计中其他性能的平均偏差为8.20%。优化后的设计对在实验验证中显示出与数值预测良好的一致性。

三维打印与机械表征。实验验证显示，所制造元生物材料的有效弹性模量与均匀化预测和三维实体有限元结果均具有良好一致性。压缩测试显示不同设计的线性弹性应变范围约为1.8%至5.0%。微观尺度上，使用2PP技术成功制造了具有最小支柱直径的元生物材料，展示了该架构在多个长度尺度上的可制造性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，进一步改善性能解耦（尤其是弯曲度等具有挑战性的描述符）可以通过引入中空或变厚度支柱来实现，因为中空架构能够提供额外的几何自由度来独立调谐机械和形态测量性能。然而，在微观尺度上制造此类结构仍具挑战性。研究提出的解耦元生物材料表现出约20 kPa的极限压缩应力，可通过采用更坚硬的基底材料、优化打印参数或放宽解耦程度等途径进一步增强其机械性能。

研究结论表明，所建立的设计框架提供了一种可扩展且系统化的方法，用于合理设计具有独立可调谐性能的元生物材料。这一解耦框架使生物医学研究人员能够分离并量化支架机械和形态测量性能对细胞行为的单独影响，最终加速组织工程应用中优化支架的开发，例如研究泊松比或相对质量密度对细胞力学生物学行为的孤立影响。

论文发表在《Nature Communications》上，标志着元生物材料设计领域的一项重要进展。该研究建立的解耦框架为组织工程和细胞力学生物学研究提供了有力工具，有望推动对细胞与材料相互作用机制的理解，并为设计新一代高性能生物医学支架奠定理论基础。