近日，太阳集团1088vip羅丙紅教授團隊設計了一種具有快速的光固化能力、适宜的粘度、獨特的液晶态以及在打印後液晶态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态和力學微環境的三維液晶支架，并籍此揭示了這類新型液晶支架對幹細胞成骨分化和骨生成的影響規律，體内實驗充分證明了這類液晶支架優異的促顱骨缺損修複的能力。相關工作以“Creating a Bionic Scaffold via Light-curing Liquid Crystal Ink to Reveal the Role of Osteoid-like Microenvironment in Osteogenesis”為題發表在Bioactive Materials期刊（影響因子：18.9）。

圖1 論文頁面截圖

天然類骨質具有獨特的液晶态和力學微環境，在指導細胞行為和成骨過程中起着至關重要的作用，因此，仿生構築具有類骨質微環境的支架材料對于骨缺損治療具有重要意義，但遺憾的是，目前還未見有報道基于3D打印技術構建兼有類骨質力學微環境和獨特液晶态的液晶支架，仿生類骨質微環境的力學微環境和液晶态在引導細胞行為和促成骨分化上發揮的内在機制和協同作用也仍然是未知的。

在這一研究工作中，作者首先通過調控天然多糖甲殼素晶須（CHW）液晶和光固化水凝膠基質前驅體（PEGDA）的濃度與配比，設計了一系列具有液晶态和适宜粘度的DLP打印墨水，并基于對墨水流變性能和液晶性的研究，篩選确定了具有不同模量和液晶态的墨水，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打印可以快速構建複雜形狀和不同尺寸的液晶支架（圖2）。

圖2 不同組成液晶墨水的性能研究（a~h）與異形件打印（i, j）

随後，研究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（圖3），支架材料的高低模量的範圍分别在39.1~118 kPa和3.4~14.2 kPa，為揭示類骨質的力學特性和液晶态對骨髓間充質幹細胞的行為以及成骨性能的影響搭建了合适的材料體系。

圖3 DLP打印液晶支架材料的示意圖及實物照片（a~c）、液晶性能（d~f）、力學性能（g~i）與形貌（j, k）

該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幹細胞具有更大的鋪展面積、更高的細胞極化和更多的細胞僞足伸展，表明液晶支架材料的模量在調控幹細胞的鋪展和粘附上發揮着重要作用，更為有趣的是，該團隊還發現，同樣是高模量環境，細胞在具有液晶态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，液晶态對細胞鋪展則沒有明顯的促進效果（圖4）。該團隊還進一步通過體外促成骨分化和體内顱骨缺損修複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（圖5，圖6）。

圖4 骨髓間充質幹細胞在不同模量和液晶态支架材料上鋪展行為和黏附性能

圖5 細胞的激光共聚焦染色照片以及抑制實驗（a~f），力學環境影響細胞行為和命運的機制示意圖（g, h）

圖6 體内顱骨缺損修複實驗用于評估不同支架材料的骨修複性能

綜上所述，研究團隊設計了一類全新的液晶墨水，并基于DLP打印技術構建了一類具有類骨質力學微環境和液晶态的液晶水凝膠支架，籍此初步闡明了仿生類骨質微環境對體外骨髓間充質幹細胞行為和體内骨生成的影響規律。研究結果表明，較高模量的類骨質微環境有利于幹細胞的粘附、擴散和遷移，并通過激活YAP信号通路促進幹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态可以強化力學微環境對幹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态在調節幹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。

該研究成果的第一作者為太阳集团1088vip研究生劉坤，通訊作者為太阳集团app首页羅丙紅教授，太阳集团app首页為唯一通訊單位。研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、廣東省自然科學基金面上項目和廣東省重點領域研發計劃等項目的大力支持。

原文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.06.019

文圖：劉 坤

校對：劉 雪

責編：李逸凡

初審：羅丙紅

複審：王啟偉

終審：陳填烽