北航Matter封面文章：3D打印蠶絲增強(qiáng)仿生半月板

半月板 是位于膝關(guān)節(jié)內(nèi)的一對楔形纖維軟骨組織，具有復(fù)雜的周向和徑向纖維結(jié)構(gòu)，能夠承受高強(qiáng)度的載荷并分散壓力。由于半月板缺血供、少神經(jīng)、少淋巴，一旦損傷，自愈極難，長期不愈往往誘發(fā)關(guān)節(jié)炎。然而目前的人工半月板支架往往難以平衡高力學(xué)強(qiáng)度（特別是周向拉伸）與生物活性。如何賦予支架增強(qiáng)的力學(xué)強(qiáng)度和顯著的各向異性，一直是半月板仿生的難題。

近日，北京航空航天大學(xué)管娟、郭洪波聯(lián)合首都醫(yī)科大學(xué)附屬積水潭醫(yī)院舒雄、加州大學(xué)伯克利分校Robert Ritchie院士，從天然半月板微結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，研發(fā)出一種具有仿生力學(xué)特性的連續(xù)蠶絲增強(qiáng)3D打印支架，為復(fù)雜非均質(zhì)組織的功能修復(fù)提供了新方案。相關(guān)研究成果以“3D-printed continuous-silk-reinforced scaffolds with biomimetic mechanics for meniscus repair”為題發(fā)表在Cell出版社旗下期刊Matter上。

【創(chuàng)新設(shè)計(jì)】

研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了一種“原位浸漬3D打印（In situ impregnation）”技術(shù)構(gòu)建連續(xù)蠶絲增強(qiáng)復(fù)合材料（CSRC）支架，從材料到結(jié)構(gòu)及工藝開展了全鏈條創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

高性能材料組合：以天然脫膠蠶絲為增強(qiáng)相，聚己內(nèi)酯（PCL）為基體。

原位浸漬工藝：在恒定壓力下，粘性樹脂通過熔體的剪切力和纖維-熔體界面力將連續(xù)的蠶絲不斷從針頭擠出，在平臺(tái)上沉積為復(fù)合長絲。

仿生結(jié)構(gòu)構(gòu)建：受天然半月板微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過精確控制打印路徑，模擬膠原纖維的周向和徑向排列，實(shí)現(xiàn)了支架結(jié)構(gòu)各向異性的顯著提升。

圖1：3D打印半月板支架的設(shè)計(jì)、制造及形貌表征

視頻1：3D打印CSRC半月板支架的過程

【仿生強(qiáng)韌力學(xué)】

連續(xù)蠶絲纖維的引入顯著提升了CSRC支架的拉伸模量和強(qiáng)度，彌補(bǔ)了單一高分子材料力學(xué)性能不足的缺陷。Silk1x-PCL、Silk3x-PCL為復(fù)絲中蠶絲含量為4%、10%的支架。

高度仿生的各向異性：CSRC支架實(shí)現(xiàn)了與天然組織高度契合的力學(xué)各向異性。在周向拉伸模量上，Silk1x-PCL為117.1 MPa，Silk3x-PCL為209.8 MPa，分別是PCL（47.3 MPa）的約2倍和4倍。

快速應(yīng)力松弛特性：相比于純PCL，CSRC支架具有更短的應(yīng)力松弛時(shí)間，能更有效地減少不可逆變形，并更貼合天然半月板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

抵抗破壞特性：對半月板支架的力學(xué)有限元仿真結(jié)果證明，連續(xù)纖維的引入顯著降低了載荷下的應(yīng)變，有效分散了應(yīng)力集中。

抗疲勞特性：在1000次循環(huán)載荷下，CSRC支架顯示出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且最大應(yīng)變遠(yuǎn)低于純PCL支架。

固定穩(wěn)定性：支架展現(xiàn)出優(yōu)異的耐縫合疲勞性能以及足以支撐手術(shù)固定的抗縫合強(qiáng)度，證明了臨床固定可行性。

圖2：3D打印半月板支架的綜合力學(xué)性能

視頻2：半月板支架的縫線拉伸測試

【生物學(xué)效應(yīng)與機(jī)制探索】

優(yōu)異的生物相容性與低免疫原性：在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出良好的細(xì)胞兼容性，且在體內(nèi)植入時(shí)引發(fā)的免疫反應(yīng)微弱，有利于材料與組織的集成。

促進(jìn)SMSC細(xì)胞功能：顯著增強(qiáng)了滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞（SMSCs）的黏附、存活和增殖，并誘導(dǎo)相關(guān)半月板/軟骨基因的表達(dá)。

力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活：在動(dòng)態(tài)載荷刺激下，具有快速松弛特性的CSRC支架能特異性激活PI3K-Akt信號通路。這一通路在促進(jìn)滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞（SMSCs）的存活、增殖、分化以及誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的形成起到了關(guān)鍵作用。

細(xì)胞保護(hù)作用：CSRC支架中蠶絲的卓越生物活性，能夠保護(hù)干細(xì)胞免受過度的機(jī)械應(yīng)力損傷或過度炎癥反應(yīng)的影響。

圖3：3D打印半月板支架的體內(nèi)組織學(xué)評估

圖4：體外機(jī)械刺激誘導(dǎo)的3D打印支架上SMSCs的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄組分析

【總結(jié)展望】

該研究成功打破了半月板支架力學(xué)仿生的瓶頸，通過“連續(xù)纖維增強(qiáng)”策略，成功模擬了天然半月板各向異性和粘彈性。該復(fù)合支架還通過蠶絲的生物活性與仿生力學(xué)環(huán)境的協(xié)同作用，有效減輕急性炎癥反應(yīng)，并通過激活PI3K-Akt信號通路促進(jìn)半月板相關(guān)細(xì)胞外基質(zhì)的形成。這種量身定制的3D蠶絲復(fù)合支架作為高性能醫(yī)療設(shè)備，為修復(fù)具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜生物力學(xué)的組織提供了新的解決方案。

參考資料：

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