三维周期性最小表面PLA支架几何构型对软骨分化的影响机制研究

这篇研究通过熔融沉积成型技术（FDM）制备了三种三重周期性最小表面（TPMS）结构的聚乳酸（PLA）支架（Gyroid/Diamond/I-WP），在相同孔隙率下系统评估了其几何形态对脂肪干细胞（ADSCs）软骨分化的影响。研究发现，Diamond构型在mRNA水平促进最高软骨标志物（Col2/Sox9）表达，而Gyroid构型表现出更稳定的蛋白表达和更低肥大化信号（Col10），揭示了支架几何特性通过调控细胞微环境定向影响分化命运的机制，为软骨组织工程提供了优化设计新思路。

　　

1 引言

软骨组织因低血管化和再生能力受限成为再生医学难点，传统二维培养会导致软骨细胞功能丢失。三重周期性最小表面（TPMS）支架凭借其连续互连的孔隙结构和零平均曲率特性，能模拟天然软骨基质几何特征。本研究选取Gyroid、Diamond和I-WP三种TPMS构型，通过熔融沉积成型（FDM）技术以20%孔隙率制备PLA支架，探究几何形态对脂肪干细胞（ADSCs）软骨分化的调控作用。

2 材料与方法

2.1 TPMS支架设计与制造

基于数学方程（表1）生成STL文件，采用双喷头3D打印机同步打印PLA主体和聚乙烯醇（PVA）支撑结构。XPLA和Tough-PLA两种材料分别设置210°C喷嘴温度，PVA支撑采用225°C打印后水溶去除。

2.2 形态与力学表征

扫描电镜（SEM）显示所有支架在微米级均呈现相似表面粗糙度（图1）。微CT分析发现实际孔隙率与设计值偏差2-5%，其中Diamond构型孔隙率最高（22.76±1.96%），Gyroid构型等效圆直径（ECD）最大（1049±104μm）（图2）。力学测试表明Diamond构型在50%应变下承受98.39 N/mm²应力，显著高于其他两组。

2.3 细胞实验

动态接种20×10⁵个ADSCs后，Diamond构型24小时细胞附着率达75.75±1.60%（图3a）。21天软骨诱导培养显示，Gyroid组细胞存活率（71.80±1.92%）略低于平板对照组（94.68±2.15%）。

3 结果

4.1 软骨标志物表达

RT-PCR显示Diamond构型使Col2 mRNA表达提升10倍，但Western blot检测到Gyroid组的Col2蛋白水平最高（3.96±0.10倍）（图4c,e）。Sox9 mRNA在I-WP组达11.43±1.19倍峰值，但其蛋白表达无显著差异。值得注意的是，Diamond组Col10 mRNA表达达11.95±4.81倍，提示潜在肥大化风险。

5 讨论

支架几何特性通过多重机制影响分化：

• 孔隙结构：Gyroid的大孔径（1049μm）促进营养扩散但降低初期细胞锚定，而Diamond的中等孔径（624μm）更利于细胞聚集和早期分化信号激活。

• 力学微环境：Diamond的高刚度（98.39 N/mm²）可能通过机械转导增强Col2转录，但同时也刺激了肥大化通路。

• 蛋白稳态：Gyroid构型表现出mRNA与蛋白表达的"解耦联"现象，提示其可能通过翻译后调控维持软骨表型稳定性。

6 结论

TPMS几何构型在不改变材料成分的前提下，通过物理微环境调控干细胞命运。Gyroid支架在蛋白水平表现出最优的软骨基质生成能力和低肥大化倾向，是软骨再生的理想候选；而Diamond构型虽能强烈激活软骨基因表达，但需警惕其促肥大化风险。该研究为基于几何优化的组织工程支架设计提供了重要理论依据。