摘要：骨缺损修复是临床上的重大挑战，人工支架在修复临界尺寸骨缺损中具有重要作用。支架的力学微环境对细胞行为（如间充质干细胞（MSCs）的成骨分化、成骨细胞（OBs）的骨形成和破骨细胞（OCs）的骨吸收）具有显著影响。然而，支架结构诱导的应力刺激（SASS）如何通过生

骨缺损修复是临床上的重大挑战，人工支架在修复临界尺寸骨缺损中具有重要作用。支架的力学微环境对细胞行为（如间充质干细胞（MSCs）的成骨分化、成骨细胞（OBs）的骨形成和破骨细胞（OCs）的骨吸收）具有显著影响。然而，支架结构诱导的应力刺激（SASS）如何通过生物力学信号调控骨再生进程的机制尚不明确，这限制了优化支架设计的能力。

四川大学杨伟/Peng Yu团队设计了基于碳晶体结构（石墨、富勒烯和金刚石）的三种支架，通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® P150，精度：25μm）制备，并利用有限元分析（FEA）研究其在动态负载下的应力分布。通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析了SASS对骨髓间充质干细胞（MSCs）、成骨细胞（OBs）和破骨细胞（OCs）的影响，并在体外和体内验证了这些支架对骨再生的效果。该工作以“Architecture mechanics mediated osteogenic progression in bone regeneration of artificial scaffolds”为题，发表在《Science Advances》期刊上。

文章亮点：

1. 梯度应力支架设计：基于石墨、富勒烯和金刚石结构设计三种支架，实现梯度应力刺激，为研究力学微环境对骨再生的影响提供了理想模型。

2. 单细胞水平机制解析：通过scRNA-seq揭示了SASS通过调控黏着斑（FA）、细胞外基质受体相互作用（ERI）和肌动蛋白骨架通路，促进MSCs成骨分化和骨平衡。

3. 显著的体内修复效果：DM支架在大鼠和巴马猪模型中显著促进新骨形成，修复效果优于GP和FL支架，为临床骨缺损修复提供了新策略。

4. 无外源刺激的力学疗法：仅通过支架结构设计实现力学刺激，无需细胞干预或外源性因子，为组织工程提供了一种高效、通用的治疗方法。

图1：展示了基于碳晶体结构设计的三种支架（石墨、富勒烯、金刚石）的结构设计和制备过程。通过扫描电子显微镜（SEM）确认了支架的结构完整性，并通过有限元分析（FEA）研究了其在动态压缩下的应力分布。结果表明，金刚石支架具有最均匀的应力分布，能够提供最强的SASS。图2：通过单细胞RNA测序分析了SASS对MSCs的影响，揭示了SASS如何通过调节细胞的机械信号通路促进MSCs的成骨分化。

图2：通过单细胞RNA测序分析了SASS对MSCs的影响，揭示了SASS如何通过调节细胞的机械信号通路促进MSCs的成骨分化。

图3：进一步探讨了SASS对OCs和OBs的影响，发现SASS能够平衡OCs的骨吸收和OBs的骨形成，促进骨组织的重塑。

图4：在大鼠的体内实验中，评估了三种支架对大尺寸骨缺损修复的效果。结果表明，金刚石支架在促进骨再生方面表现最佳，能够显著提高骨体积分数（BV/TV）和骨密度（BMD）。

图5：通过免疫组化和免疫荧光染色验证了SASS对骨再生的促进作用，发现金刚石支架能够显著提高骨形成相关蛋白的表达。

图6：在巴马猪的体内实验中，进一步验证了金刚石支架在大尺寸骨缺损修复中的效果，结果表明其在促进骨再生方面优于石墨支架。

图7：机制示意图总结了SASS通过机械信号通路调控MSCs、OBs和OCs的功能，最终促进骨再生。

总结：作者研究通过设计具有不同应力分布的支架，深入探讨了支架结构诱导的应力刺激（SASS）对骨再生的影响。研究结果表明，具有均匀应力分布的金刚石支架在促进骨再生方面表现最佳，能够显著提高骨体积分数（BV/TV）和骨密度（BMD）。通过单细胞RNA测序分析，揭示了SASS如何通过调节细胞的机械信号通路促进骨髓间充质干细胞（MSCs）的成骨分化，同时平衡成骨细胞（OBs）和破骨细胞（OCs）的活性，促进骨组织的重塑。在大鼠和巴马猪的体内实验中，金刚石支架展现出显著的骨再生效果，为骨组织工程领域提供了重要的理论依据。展望未来，这一研究为设计新型骨组织工程支架提供了新的思路和方法。通过进一步优化支架的结构设计，有望开发出更高效的骨再生材料。此外，该研究还为理解骨再生的生物力学机制提供了新的视角，为临床应用提供了潜在的指导。未来的研究可以进一步探索SASS在其他组织工程中的应用，例如软骨、肌肉和器官修复，为再生医学领域带来更广泛的应用前景。

来源：科学瞄