Sci Adv丨杨伟/喻鹏揭示人工支架设计结构促进骨再生的调控机制

在骨组织工程支架修复领域，支架结构设计已成为关键所在。在结构设计方面，人们设计出了众多架构以促进涉及临界尺寸缺陷的骨组织再生；然而，确定能产生最佳修复效果的最优支架结构仍是一项持续的挑战。考虑到体内所经历的动态应力，支架结构通过其应变直接影响支架内细胞所受的机械刺激模式和强度。成骨谱系细胞对机械环境变化表现出敏感性，并相应地调整其行为（ 25 ）。在骨修复过程中，适当的机械信号可促进间充质干细胞（ MSCs ）的成骨分化（ 21, 86-88 ）。除了调节 MSCs 的命运外，机械应力也被证明会影响骨重塑阶段的细胞行为。支架内的机械微环境影响成骨细胞（ OBs ）的骨形成和破骨细胞（ OCs ）的骨吸收，有助于维持骨稳态。因此，这促使我们研究不同 结构致应力刺激 ( SASS ) 程度的支架对骨修复效果的影响，并进一步从生物力学信号转导层面阐明 SASS 的作用机制。

2025 年 7 月 18 日，四川大学杨伟教授团队和喻鹏副研究员合作于 Science A dvances 杂志在线发表题为

Architecture mechanics mediated osteogenic progression in bone regeneration of artificial scaffolds

研究团队设计了 三种具有递增 SASS 的支架（ GP 、 FL 和 DM ），在动态应力作用下微观应变应得到适当考虑，因为其直接影响细胞反应。

在骨修复的早期阶段（持续 4 周）， DM 组中骨涎蛋白（ BSP ）阳性细胞数 量增加，表明 SASS 能有效促进 初期骨 矿化。此外， DM 组中 骨保护素 （ OPG ）阳性细胞数量更高，进一步证实了骨密度（ BMD ）的改善，并突显了 SASS 对骨密度的有效调节作用。图 1 直观地展示了所研究支架的初期修复效果。由于 SASS 的作用，新骨的矿化能力得到提高，破骨细胞（ OCs ）和成骨细胞（ OBs ）的数量增加。总之，通过设计和制备具有不同应变分布程度的支架，获得了三种具有不同梯度 SASS 的支架（ GP 、 FL 和 DM ）。 DM 支架表现出最强的应变刺激效果，并且具有与天然 骨相当 的机械性能，从而能够在缺损处引发更广泛的细胞反应。

此外，利用具有梯度 SASS 的支架独特的强大应变刺激特性， 使用单细胞 RNA 测序的方法 研究了其对细胞机械信号和功能通路的影响。阐明了 SASS 促进间充质干细胞成骨分化、破骨细胞骨吸收和成骨细胞骨形成的潜在生物学机制（图1）。此外，通过在大鼠和巴马猪体内修复模型中的验证，证明了 DM 支架能够有效促进体内临界尺寸骨缺损的再生。本研究阐明了SASS促进骨修复进程的生物力学机制，为支架结构设计提供了指导，并为骨修复的SASS机制提供了理论依据。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv8804

制版人： 十一

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