北航Matter封面文章：3D打印蚕丝增强仿生半月板

半月板 是位于膝关节内的一对楔形纤维软骨组织，具有复杂的周向和径向纤维结构，能够承受高强度的载荷并分散压力。由于半月板缺血供、少神经、少淋巴，一旦损伤，自愈极难，长期不愈往往诱发关节炎。然而目前的人工半月板支架往往难以平衡高力学强度（特别是周向拉伸）与生物活性。如何赋予支架增强的力学强度和显著的各向异性，一直是半月板仿生的难题。

近日，北京航空航天大学管娟、郭洪波联合首都医科大学附属积水潭医院舒雄、加州大学伯克利分校Robert Ritchie院士，从天然半月板微结构特征出发，研发出一种具有仿生力学特性的连续蚕丝增强3D打印支架，为复杂非均质组织的功能修复提供了新方案。相关研究成果以“3D-printed continuous-silk-reinforced scaffolds with biomimetic mechanics for meniscus repair”为题发表在Cell出版社旗下期刊Matter上。

【创新设计】

研究团队应用了一种“原位浸渍3D打印（In situ impregnation）”技术构建连续蚕丝增强复合材料（CSRC）支架，从材料到结构及工艺开展了全链条创新设计。

高性能材料组合：以天然脱胶蚕丝为增强相，聚己内酯（PCL）为基体。

原位浸渍工艺：在恒定压力下，粘性树脂通过熔体的剪切力和纤维-熔体界面力将连续的蚕丝不断从针头挤出，在平台上沉积为复合长丝。

仿生结构构建：受天然半月板微观结构启发，通过精确控制打印路径，模拟胶原纤维的周向和径向排列，实现了支架结构各向异性的显著提升。

图1：3D打印半月板支架的设计、制造及形貌表征

视频1：3D打印CSRC半月板支架的过程

【仿生强韧力学】

连续蚕丝纤维的引入显著提升了CSRC支架的拉伸模量和强度，弥补了单一高分子材料力学性能不足的缺陷。Silk1x-PCL、Silk3x-PCL为复丝中蚕丝含量为4%、10%的支架。

高度仿生的各向异性：CSRC支架实现了与天然组织高度契合的力学各向异性。在周向拉伸模量上，Silk1x-PCL为117.1 MPa，Silk3x-PCL为209.8 MPa，分别是PCL（47.3 MPa）的约2倍和4倍。

快速应力松弛特性：相比于纯PCL，CSRC支架具有更短的应力松弛时间，能更有效地减少不可逆变形，并更贴合天然半月板的动态响应。

抵抗破坏特性：对半月板支架的力学有限元仿真结果证明，连续纤维的引入显著降低了载荷下的应变，有效分散了应力集中。

抗疲劳特性：在1000次循环载荷下，CSRC支架显示出优异的结构稳定性，且最大应变远低于纯PCL支架。

固定稳定性：支架展现出优异的耐缝合疲劳性能以及足以支撑手术固定的抗缝合强度，证明了临床固定可行性。

图2：3D打印半月板支架的综合力学性能

视频2：半月板支架的缝线拉伸测试

【生物学效应与机制探索】

优异的生物相容性与低免疫原性：在体内外实验中均表现出良好的细胞兼容性，且在体内植入时引发的免疫反应微弱，有利于材料与组织的集成。

促进SMSC细胞功能：显著增强了滑膜间充质干细胞（SMSCs）的黏附、存活和增殖，并诱导相关半月板/软骨基因的表达。

力学信号转导的激活：在动态载荷刺激下，具有快速松弛特性的CSRC支架能特异性激活PI3K-Akt信号通路。这一通路在促进滑膜间充质干细胞（SMSCs）的存活、增殖、分化以及诱导软骨细胞外基质（ECM）的形成起到了关键作用。

细胞保护作用：CSRC支架中蚕丝的卓越生物活性，能够保护干细胞免受过度的机械应力损伤或过度炎症反应的影响。

图3：3D打印半月板支架的体内组织学评估

图4：体外机械刺激诱导的3D打印支架上SMSCs的机械转导及转录组分析

【总结展望】

该研究成功打破了半月板支架力学仿生的瓶颈，通过“连续纤维增强”策略，成功模拟了天然半月板各向异性和粘弹性。该复合支架还通过蚕丝的生物活性与仿生力学环境的协同作用，有效减轻急性炎症反应，并通过激活PI3K-Akt信号通路促进半月板相关细胞外基质的形成。这种量身定制的3D蚕丝复合支架作为高性能医疗设备，为修复具有异质结构和复杂生物力学的组织提供了新的解决方案。

参考资料：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102630