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

來源：高分子科學前沿

從大自然中學習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， 華南理工大學材料科學與工程學院 施雪濤 研究團隊 對各類三周期極小曲面（TPMS）進行了研究分析，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與再生技術(shù)的進步。

設(shè)計與3D打印

從數(shù)學上講，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：用于股骨修復修補支架設(shè)計和細節(jié)CBCT

TPMS支架力學性能研究

在對HAp支架進行力學性能實驗中，發(fā)現(xiàn)支架結(jié)構(gòu)是影響整體支架力學性能的決定因素，該團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強度進行分析

TPMS支架細胞行為研究

細胞在骨修復支架上的增殖和粘附是其重要的生物學功能。不同結(jié)構(gòu)對于人成骨細胞（hFOB）的黏附與增殖進行了研究，研究結(jié)果表明TPMS結(jié)構(gòu)對hFOB細胞的成骨分化起到更為明顯的促進作用，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支架大大促進了細胞的粘附與生長，因此在培養(yǎng)過程中細胞活性要高于網(wǎng)狀交叉結(jié)構(gòu)中較為離散的細胞，在后續(xù)細胞培養(yǎng)過程中具有促進成骨分化作用與相關(guān)蛋白表達水平的作用。

▲ 圖：細胞在不同支架上的生長、粘附和成骨能力評價

TPMS支架促進股骨再生修復

骨修復過程中最重要的性能指標之一是力學性能，該團隊將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行研究對比，發(fā)現(xiàn)TPMS組對于促進新骨生成效果明顯；對不同階段股骨的抗壓強度進行測試，發(fā)現(xiàn)TPMS植入組兔股骨抗壓強度明顯優(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支架促進骨再生機制研究

通過基因芯片測序測定組織樣本中的差異性表達基因，并進行GO和KEGG富集分析，第4周時與交叉孵化支架相比TPMS支架樣本中的細胞因子-細胞因子受體、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)破骨細胞分化和PPAR通路（誘導成脂）促進骨再生。12周后，TPMS支架仍有活躍的成骨過程，但明顯促進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)�；钚约毎�粘附分子（CAM）表達表現(xiàn)出強烈的骨代謝活性。另一方面，破骨細胞分化的增加表明骨重塑過程活躍。各種成骨、血管生成和破骨細胞分化途徑，如破骨細胞分化，MAPK信號通路、CAMs、Pi3k/Akt和血小板激活途徑在骨修復過程不同的階段差異很大。

▲ 圖：差異表達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，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者。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)修復與重建，以及力學適配性的生物粘合劑的研究和應(yīng)用方面取得長足進展。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。