尽管三维多孔支架在促进组织再生方面有着广泛的应用，但目前缺乏有效的方法来解耦这些支架的结构和力学性质之间的复杂相互作用，这限制了对细胞在三维多孔支架中行为的系统性力学生物学研究。
研究简介
冷冻保护剂对冰晶生长的调控作用：
发现冷冻保护剂，特别是二甲基亚砜（DMSO），可以通过调控冰晶的形成来控制三维多孔支架的孔径大小。这一发现基于DMSO在冷冻过程中改变前体溶液的冰点，从而影响冰晶的形成。实验中，通过改变前体溶液中DMSO的初始浓度，能够控制冰晶生长的持续时间，直到DMSO浓度达到约40%时进一步冻结停止，从而控制了冰晶和孔径的大小。
独立控制支架的硬度和孔径：
展示了通过改变化学交联剂（如戊二醛GA）的浓度来独立控制支架的硬度，而不会影响孔径。这一成果是通过在冷冻凝胶体系中引入不同浓度的DMSO实现的，即使在改变GA浓度的情况下，孔径也能保持不变。这一发现对于精确控制支架的力学和结构性质具有重要意义。
细胞对支架结构和力学性质的响应：
选择了成纤维细胞和巨噬细胞来研究细胞对支架力学响应性，因为这些细胞在感知机械刺激和重建细胞微环境中起着重要作用。实验结果显示，成纤维细胞和巨噬细胞对支架的结构和力学性质都很敏感，尤其是对孔径大小。成纤维细胞在大孔径和低硬度的支架中表现出更好的增殖，而在小孔径和高硬度的支架中则表现出抑制。巨噬细胞在小孔径和低硬度的支架中倾向于表现出促炎性表型，而在大孔径和高硬度的支架中则倾向于抗炎性表型。
物理限制对细胞响应的影响：
研究进一步探讨了支架孔径对细胞形态和功能的影响，发现小孔径对细胞的物理限制可以影响细胞的形态和功能。通过模拟细胞在小孔径中的物理限制，发现流体渗透压可以模拟细胞在小孔径中的物理限制，从而影响细胞的形态和功能。
体内细胞对植入支架的响应：
通过在小鼠模型中植入不同孔径和硬度的支架，发现小孔径和低硬度的支架在植入后短期内诱导了高水平的炎症反应，而大孔径和高硬度的支架则在早期减少了炎症反应，但可能在后期促进纤维化反应，从而发挥促进愈合的效果。
研究的意义和潜在应用：
本研究不仅为力学生物学研究提供了有力的工具，还为优化可植入支架以改善临床再生疗法提供了见解。通过调整植入的多孔三维支架的物理性质，可以调节体内的细胞反应，这为开发新型生物材料提供了新策略，这些生物材料可以通过调节细胞行为和宿主反应来改善治疗效果。
研究的局限性和未来方向：
尽管本研究取得了显著的成果，但也存在一些局限性。例如，研究主要集中在物理性质对细胞行为的影响，而对支架的生化性质的影响考虑较少。未来的研究可以进一步探索支架的生化性质如何与物理性质相互作用，以更全面地理解细胞对支架的响应。此外，提出了未来研究的方向，包括深入探讨细胞在多孔支架中的力学传导机制，以及开发新的生物材料以满足不同损伤类型的治疗需求。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-019-11397-1
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