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从大自然中学习一直是一种重要的设计思维，广泛存在于自然界的三周期极小曲面（TPMS）是一种在空间中三个维度方向周期性重复且平均曲率为零的特殊曲面，这一类结构表面光滑且孔洞高度连通，整体结构可由隐式函数精确控制，是一种设计建模多孔结构的优异解决方案，已经在建筑学上得到了应用。
▲ 图为中国台湾，台中，国立台中剧院
最近，华南理工大学材料科学与工程学院施雪涛研究团队对各类三周期极小曲面（TPMS）进行了研究分析，设计并3D打印出一系列可匹配皮质骨和松质骨强度范围区间的羟基磷灰石（HAp）陶瓷支架，研究成果推动了承重骨修复与再生技术的进步。
设计与3D打印
从数学上讲，TPMS结构有多种类型，他们研究研究了6种适用于组织工程支架的TPMS。根据其三角方程，取多项式系数在X、Y、Z三个维度上相等来控制孔径，以减少因孔径不相等而造成的各向异性问题，创建了各种各样的极小曲面结构，由于所有的结构都可以在三维空间中形成一个完整的表面，因此可以通过改变结构单元的大小来控制孔隙直径。
▲ 图：6个TPMS模型和基于TPMS结构的3d打印Hap支架
他们运用TPMS结构用来制作股骨的仿生支架，展示TPMS结构的仿生可行性。在对仿生股骨修复支架，它模仿了外皮质和内松质骨的独特结构，两者极其自然、牢固地结合在了一起。
▲ 图：用于股骨修复修补支架设计和细节CBCT
TPMS支架力学性能研究
在对HAp支架进行力学性能实验中，发现支架结构是影响整体支架力学性能的决定因素，该团队制备的基于不同结构的HAp支架可涵盖的人类所有松质骨到皮质骨的抗压强度区间范围。
▲ 图：通过有限元模拟和压缩实验对支架的力学强度进行分析
TPMS支架细胞行为研究
细胞在骨修复支架上的增殖和粘附是其重要的生物学功能。不同结构对于人成骨细胞（hFOB）的黏附与增殖进行了研究，研究结果表明TPMS结构对hFOB细胞的成骨分化起到更为明显的促进作用，极小曲面平均曲率为0的特点也使得整个结构较为平缓，拥有更大的比表面积和表面连续性的TMPS支架大大促进了细胞的粘附与生长，因此在培养过程中细胞活性要高于网状交叉结构中较为离散的细胞，在后续细胞培养过程中具有促进成骨分化作用与相关蛋白表达水平的作用。
▲ 图：细胞在不同支架上的生长、粘附和成骨能力评价
TPMS支架促进股骨再生修复
骨修复过程中最重要的性能指标之一是力学性能，该团队将TPMS支架和对照组支架植入兔股骨缺损内，在4周、8周、12周分别对成骨效果进行研究对比，发现TPMS组对于促进新骨生成效果明显；对不同阶段股骨的抗压强度进行测试，发现TPMS植入组兔股骨抗压强度明显优于对照组。
▲ 图：植入TPMS支架与对照组在股骨再生中的体内评价
TPMS支架促进骨再生机制研究
通过基因芯片测序测定组织样本中的差异性表达基因，并进行GO和KEGG富集分析，第4周时与交叉孵化支架相比TPMS支架样本中的细胞因子-细胞因子受体、趋化因子信号通路、PPAR和AMPK通路上调，这些通路与骨再生早期的细胞募集、代谢、成骨和血管形成有关；在8周时，TPMS支架通过上调AMPK、糖代谢等成骨代谢相关通路，下调破骨细胞分化和PPAR通路（诱导成脂）促进骨再生。12周后，TPMS支架仍有活跃的成骨过程，但明显促进了血管生成和破骨活性，包括HIF-1信号通路和钙信号通路上调。活性细胞粘附分子（CAM）表达表现出强烈的骨代谢活性。另一方面，破骨细胞分化的增加表明骨重塑过程活跃。各种成骨、血管生成和破骨细胞分化途径，如破骨细胞分化，MAPK信号通路、CAMs、Pi3k/Akt和血小板激活途径在骨修复过程不同的阶段差异很大。
▲ 图：差异表达基因的富集基因通路分析
施雪涛教授课题组及研究内容简介：
施雪涛教授，博导，国家优秀青年科学基金获得者。课题组长期致力于生物医用高分子材料的研发和转化、组织工程与干细胞治疗、生物3D打印，尤其在基于生物材料的生殖系统修复与重建，以及力学适配性的生物粘合剂的研究和应用方面取得长足进展。目前在Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie 等期刊共发表SCI论文130篇。申请国家发明专利30项，授权10项。
来源：高分子科学前沿
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