刺激响应型回形支架：层次化结构和电刺激促进骨再生

全文概述

研究团队开发了一种具有仿骨结构的分层3D多孔明胶-NaNbO₃@PDMS支架，通过电场刺激促进骨再生。研究表明，不同孔隙率和超声波强度对细胞活性、矿化及基因表达有显著影响，63%孔隙+50 mW·cm⁻² US组表现出最佳代谢活性和钙沉积量。

支架的制备与结构

采用牺牲模板法，通过熔融沉积建模（FFF）打印ABS负模，填入含30 wt% NaNbO₃纳米立方体的PDMS，固化后溶除模板，得到孔隙率精准可调的Gyroid结构支架。XRD与FTIR证实材料组分均一，SEM观察显示纳米立方体在PDMS中均匀分散。

超声波刺激对细胞的影响

低强度超声（US）每两天刺激3分钟，14天内监测细胞代谢、基因表达与矿化。结果显示，63%孔隙+50 mW·cm⁻² US组第14天代谢活性最高，钙沉积量较未刺激组提升1200%，对应OSX、RUNX2上调。

力学性能表征

不同孔隙率支架的杨氏模量与阻尼能力数据表明，孔隙率为0%和18%的支架具有更优的弹性性能。循环压缩实验显示，高孔隙率支架因结构塌陷导致Voc信号下降，但低应力刺激可在保持孔隙完整性的同时激活压电响应。

电场分布与细胞排列

COMSOL模拟揭示零曲率孔隙使电场均匀穿透，解释了高孔隙支架在低强度US下显著增强细胞活性的原因。定性DAPI/F-肌动蛋白共聚焦成像和定量细胞计数证实，3 min US即可使F-actin沿电场方向排列度提升10%，63%孔隙+250 mW·cm⁻²组14 d后14.2%细胞定向显著高于无刺激组。