基于 3D 打印高通量篩選結合機器學習探究生物陶瓷骨誘導性的最佳結構特征

來源：EFL生物3D打印與生物制造

骨組織工程中，骨誘導性支架的關鍵結構因素和參數(shù)尚未明確，孔隙結構的復雜性與多樣性導致其與骨誘導性的關系模糊，缺乏支架結構設計的指導方針和數(shù)據(jù)支持，制約了高性能骨再生材料的發(fā)展。   

來自四川大學張興棟院士/朱向東研究員團隊利用DLP 3D打印技術制備了包含24種不同孔隙結構（三角形、菱形、方形、多面體，孔隙率50%~75%）的磷酸鈣（CaP）陶瓷支架，結合高通量篩選、體外（BMSCs共培養(yǎng)）和體內(nèi)（比格犬肌肉植入）評價，以及機器學習（XGBoost模型）和非線性擬合，系統(tǒng)探究了支架結構參數(shù)與骨誘導性的復雜關系。   

研究發(fā)現(xiàn)孔隙率和比表面積（SSA）是影響骨再生能力的主要因素，孔隙幾何形狀影響可忽略，確定了SSA為10.49~10.69 mm²·mm⁻³、滲透率為3.74×10⁻⁹ m²的多孔結構（對應孔隙率約65%~70%）為最優(yōu)參數(shù)，并建立了數(shù)據(jù)驅(qū)動的高通量篩選方法和骨誘導性結構參數(shù)基準。   

相關工作以“Optimal structural characteristics of osteoinductivity in bioceramics derived from a novel high-throughput screening plus machine learning approach”為題發(fā)表在《Biomaterials》上。論文第一作者為四川大學生物醫(yī)學工程學院/國家生物醫(yī)學材料工程技術研究中心的博士研究生劉蕓伊，四川大學材料基因工程研究中心/國家生物醫(yī)學材料工程技術研究中心/生物醫(yī)學工程學院的朱向東研究員、王科鋒副研究員和李向鋒副研究員為該論文的共同通訊作者。

研究內(nèi)容
1. 基于DLP的3D打印CaP芯片/圓柱狀支架設計示意圖，通過3D建模結合DLP 3D打印技術，制備了包含三角形、菱形、方形、多面體4種孔幾何形狀且孔隙率為50%-75%的24種CaP陶瓷支架（CaP Chip用于體外實驗，CaP Cyl-scaffold用于體內(nèi)實驗），并通過高通量篩選結合機器學習分析結構參數(shù)與骨誘導性的關系。結果表明，孔隙率和比表面積（SSA）是影響骨誘導性的關鍵因素，而孔幾何形狀影響較小。      

圖1. 基于DLP的3D打印CaP芯片/圓柱狀支架設計示意圖。   

2. 3D打印CaP芯片/圓柱狀支架的表征，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、微CT等方法，分析了支架的微觀形貌、物相組成、孔隙率、比表面積（SSA）和滲透率。結果顯示，打印支架結構完整，主要成分為β-TCP和HA，孔隙率與設計值一致，SSA隨孔隙率增加而增大，滲透率在不同孔結構和孔隙率下呈現(xiàn)復雜變化規(guī)律。      

圖2. 3D打印CaP芯片/圓柱狀支架的表征。   

3. CaP芯片的體外評價，通過CCK-8檢測細胞增殖、FDA/PI染色觀察細胞死活、qRT-PCR分析成骨基因表達，評估了不同孔結構和孔隙率的CaP Chip對BMSCs行為的影響。結果表明，60%-70%孔隙率的菱形和多面體結構細胞增殖較好，14天培養(yǎng)時方形結構的成骨基因（如Runx-2、ALP）表達顯著升高。      

圖3. CaP芯片的體外評價。   

4. CaP圓柱狀支架的體內(nèi)評價，通過微CT三維重建和組織學染色（H&E），分析了支架植入比格犬背部肌肉180天后的新骨形成情況。結果顯示，65%-70%孔隙率的多面體和方形結構新骨形成量較高，75%孔隙率結構因降解嚴重導致骨組織較少，驗證了孔隙率對體內(nèi)骨誘導性的關鍵作用。      

圖5. CaP圓柱狀支架的體內(nèi)評價。   

5. 結構參數(shù)與骨誘導性的相關性分析及機器學習建模，通過Pearson相關系數(shù)（PCC）和XGBoost模型，分析了孔隙率、SSA、滲透率等參數(shù)與骨誘導性（BV/TV、成骨基因表達）的線性及非線性關系。結果表明，SSA與BV/TV呈先升后降的非線性關系，最優(yōu)SSA為10.49-10.69 mm²·mm⁻³，滲透率3.74×10⁻⁹ m²時成骨基因表達達峰值，XGBoost模型能有效擬合結構-活性關系。      

圖7. XGBoost模型對材料特征與成骨性能的非線性擬合。

研究結論
本研究通過DLP-3D打印技術制備了含24種孔結構的磷酸鈣陶瓷支架，結合高通量篩選與機器學習，系統(tǒng)分析了結構參數(shù)與骨誘導性的關系。結果表明，骨再生能力主要受孔隙率和比表面積（SSA）影響，孔幾何形狀影響可忽略。最優(yōu)結構參數(shù)為SSA 10.49-10.69 mm²·mm⁻³、滲透率3.74×10⁻⁹ m²，對應孔隙率約65%-70%，該結構顯著促進成骨分化與體內(nèi)新骨形成。非線性擬合顯示，SSA、滲透率與成骨基因表達存在特定相關性。本研究建立了數(shù)據(jù)驅(qū)動的高通量篩選方法，提出了骨誘導性結構的參數(shù)基準，為骨誘導型支架的設計提供了關鍵見解，加速了骨再生生物材料的研發(fā)進程。

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2025.123348