新研究揭示類骨質微環境對骨生成的影響

近日，暨南大學化學與材料學院教授羅丙紅團隊設計了一種具有快速的光固化能力、適宜的粘度、獨特的液晶態以及在打印后液晶態在三維上能夠良好保持的新型液晶墨水，并基于數字光處理（DLP）技術打印了一類具有類骨質液晶態和力學微環境的三維液晶支架，由此揭示該類新型液晶支架對干細胞成骨分化和骨生成的影響規律，體內實驗充分證明了這類液晶支架優異的促顱骨缺損修復的能力。相關成果發表于《生物活性材料》。

該研究中，研究團隊首先通過調控天然多糖甲殼素晶須液晶和光固化水凝膠基質前驅體的濃度與配比，設計了一系列具有液晶態和適宜粘度的DLP打印墨水，并基于對墨水流變性能和液晶性的研究，篩選確定了具有不同模量和液晶態的墨水，并通過DLP打印獲得了一系列液晶水凝膠支架材料。作者在研究中發現，這類新型可光固化液晶墨水具有良好的可打印性和高的打印精度，通過DLP打印可以快速構建復雜形狀和不同尺寸的液晶支架。

隨后，團隊驗證了所打印的液晶支架材料具有與類骨質相似的液晶織構和力學特性；并且，通過原子力顯微鏡的敲擊模式測試了液晶支架材料的點模量，支架材料的高低模量的范圍分別在39.1~118 kPa和3.4~14.2 kPa，為揭示類骨質的力學特性和液晶態對骨髓間充質干細胞的行為以及成骨性能的影響搭建了合適的材料體系。

團隊通過液晶支架材料的生物學性能評估發現，與低模量液晶支架相比，高模量液晶支架上的骨髓間充質干細胞具有更大的鋪展面積、更高的細胞極化和更多的細胞偽足伸展，表明液晶支架材料的模量在調控干細胞的鋪展和粘附上發揮著重要作用，更為有趣的是，該團隊還發現，同樣是高模量環境，細胞在具有液晶態的支架材料上具有更好的細胞鋪展和黏附，并且，在低模量環境中，液晶態對細胞鋪展則沒有明顯的促進效果。

團隊還進一步通過體外促成骨分化和體內顱骨缺損修復實驗驗證了液晶支架材料良好的促成骨分化和骨生成的能力。研究結果表明，較高模量的類骨質微環境有利于干細胞的粘附、擴散和遷移，并通過激活YAP信號通路促進干細胞成骨分化和骨生成，而且，仿生類骨質微環境所呈現的獨特液晶態可以強化力學微環境對干細胞行為和骨生成的影響。

該研究揭示了液晶支架的力學微環境和液晶態在調節干細胞成骨分化和促骨生成中發揮的重要作用和協同效應，可為仿生構建骨組織工程支架材料提供一定的借鑒。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.06.019