3D打印具有仿生結(jié)構(gòu)的三周期極小曲面（TPMS）羥基磷灰石骨修復(fù)支架

來源：高分子科學(xué)前沿

從大自然中學(xué)習(xí)一直是一種重要的設(shè)計思維，廣泛存在于自然界的三周期極小曲面（TPMS）是一種在空間中三個維度方向周期性重復(fù)且平均曲率為零的特殊曲面，這一類結(jié)構(gòu)表面光滑且孔洞高度連通，整體結(jié)構(gòu)可由隱式函數(shù)精確控制，是一種設(shè)計建模多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)異解決方案，已經(jīng)在建筑學(xué)上得到了應(yīng)用。

▲ 圖為中國臺灣，臺中，國立臺中劇院

最近， 華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 施雪濤 研究團(tuán)隊 對各類三周期極小曲面（TPMS）進(jìn)行了研究分析，設(shè)計并3D打印出一系列可匹配皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨強(qiáng)度范圍區(qū)間的羥基磷灰石（HAp）陶瓷支架，研究成果推動了承重骨修復(fù)與再生技術(shù)的進(jìn)步。

設(shè)計與3D打印

從數(shù)學(xué)上講，TPMS結(jié)構(gòu)有多種類型，他們研究研究了6種適用于組織工程支架的TPMS。根據(jù)其三角方程，取多項式系數(shù)在X、Y、Z三個維度上相等來控制孔徑，以減少因孔徑不相等而造成的各向異性問題，創(chuàng)建了各種各樣的極小曲面結(jié)構(gòu)，由于所有的結(jié)構(gòu)都可以在三維空間中形成一個完整的表面，因此可以通過改變結(jié)構(gòu)單元的大小來控制孔隙直徑。

▲ 圖：6個TPMS模型和基于TPMS結(jié)構(gòu)的3d打印Hap支架

他們運用TPMS結(jié)構(gòu)用來制作股骨的仿生支架，展示TPMS結(jié)構(gòu)的仿生可行性。在對仿生股骨修復(fù)支架，它模仿了外皮質(zhì)和內(nèi)松質(zhì)骨的獨特結(jié)構(gòu)，兩者極其自然、牢固地結(jié)合在了一起。

▲ 圖：用于股骨修復(fù)修補(bǔ)支架設(shè)計和細(xì)節(jié)CBCT

TPMS支架力學(xué)性能研究

在對HAp支架進(jìn)行力學(xué)性能實驗中，發(fā)現(xiàn)支架結(jié)構(gòu)是影響整體支架力學(xué)性能的決定因素，該團(tuán)隊制備的基于不同結(jié)構(gòu)的HAp支架可涵蓋的人類所有松質(zhì)骨到皮質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度區(qū)間范圍。

▲ 圖：通過有限元模擬和壓縮實驗對支架的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行分析

TPMS支架細(xì)胞行為研究

細(xì)胞在骨修復(fù)支架上的增殖和粘附是其重要的生物學(xué)功能。不同結(jié)構(gòu)對于人成骨細(xì)胞（hFOB）的黏附與增殖進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明TPMS結(jié)構(gòu)對hFOB細(xì)胞的成骨分化起到更為明顯的促進(jìn)作用，極小曲面平均曲率為0的特點也使得整個結(jié)構(gòu)較為平緩，擁有更大的比表面積和表面連續(xù)性的TMPS支架大大促進(jìn)了細(xì)胞的粘附與生長，因此在培養(yǎng)過程中細(xì)胞活性要高于網(wǎng)狀交叉結(jié)構(gòu)中較為離散的細(xì)胞，在后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)過程中具有促進(jìn)成骨分化作用與相關(guān)蛋白表達(dá)水平的作用。

▲ 圖：細(xì)胞在不同支架上的生長、粘附和成骨能力評價

TPMS支架促進(jìn)股骨再生修復(fù)

骨修復(fù)過程中最重要的性能指標(biāo)之一是力學(xué)性能，該團(tuán)隊將TPMS支架和對照組支架植入兔股骨缺損內(nèi)，在4周、8周、12周分別對成骨效果進(jìn)行研究對比，發(fā)現(xiàn)TPMS組對于促進(jìn)新骨生成效果明顯；對不同階段股骨的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)TPMS植入組兔股骨抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于對照組。

▲ 圖：植入TPMS支架與對照組在股骨再生中的體內(nèi)評價

TPMS支架促進(jìn)骨再生機(jī)制研究

通過基因芯片測序測定組織樣本中的差異性表達(dá)基因，并進(jìn)行GO和KEGG富集分析，第4周時與交叉孵化支架相比TPMS支架樣本中的細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體、趨化因子信號通路、PPAR和AMPK通路上調(diào)，這些通路與骨再生早期的細(xì)胞募集、代謝、成骨和血管形成有關(guān)；在8周時，TPMS支架通過上調(diào)AMPK、糖代謝等成骨代謝相關(guān)通路，下調(diào)破骨細(xì)胞分化和PPAR通路（誘導(dǎo)成脂）促進(jìn)骨再生。12周后，TPMS支架仍有活躍的成骨過程，但明顯促進(jìn)了血管生成和破骨活性，包括HIF-1信號通路和鈣信號通路上調(diào)?；钚约?xì)胞粘附分子（CAM）表達(dá)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的骨代謝活性。另一方面，破骨細(xì)胞分化的增加表明骨重塑過程活躍。各種成骨、血管生成和破骨細(xì)胞分化途徑，如破骨細(xì)胞分化，MAPK信號通路、CAMs、Pi3k/Akt和血小板激活途徑在骨修復(fù)過程不同的階段差異很大。

▲ 圖：差異表達(dá)基因的富集基因通路分析

施雪濤教授課題組及研究內(nèi)容簡介：

施雪濤教授，博導(dǎo)，國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者。課題組長期致力于生物醫(yī)用高分子材料的研發(fā)和轉(zhuǎn)化、組織工程與干細(xì)胞治療、生物3D打印，尤其在基于生物材料的生殖系統(tǒng)修復(fù)與重建，以及力學(xué)適配性的生物粘合劑的研究和應(yīng)用方面取得長足進(jìn)展。目前在Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie 等期刊共發(fā)表SCI論文130篇。申請國家發(fā)明專利30項，授權(quán)10項。