组织再生中基质刚度如何通过力学转导影响细胞命运和组织再生还不清楚。这个研究研究聚焦于3D打印的生物弹性支架/导管，这些支架/导管由一种新型的可生物降解且可光固化的聚（三甲基碳酸酯）富马酸酯（PTMCFs）制成，用以研究基质刚度对人间充质干细胞（hMSCs）命运以及硬组织/软组织再生的影响。
研究简介
PTMCFs的合成与特性
成功合成了不同分子量（Mn）的PTMCFs，并通过调节PTMC前体的Mn来控制所得网络的热/机械性能和生物降解特性。这些PTMCFs网络展示了从硬到中等再到柔软的不同力学性能，为研究基质刚度对细胞行为和组织再生的影响提供了一个独特的平台。通过动态剪切实验评估了PTMCFs的流变性质，发现所有聚合物在低频率下表现出典型的非纠缠行为。此外，PTMCFs的玻璃化转变温度（Tg）均低于室温和体温，使得这些材料在生物医学应用中具有良好的柔韧性和弹性特性。
基质刚度对hMSCs行为的影响
研究结果表明，hMSCs在较硬的PTMCF0.5k基质上的粘附、扩散和增殖能力显著高于在较软的PTMCF2k基质上。免疫荧光染色显示，hMSCs在硬基质上展现出更大的细胞面积和更多的焦点粘附（FAs），而在软基质上则相反。这些发现与先前的研究一致，即基质刚度可以正向调节hMSCs的粘附和增殖。此外，YAP在硬基质上的核定位增加，而在软基质上则主要位于细胞质中，表明YAP在基质刚度和细胞行为之间的关键介导作用。
基质刚度对hMSCs分化的影响
在成骨分化方面，硬基质PTMCF0.5k显著促进了hMSCs的成骨分化，而在神经分化方面，软基质PTMCF2k则促进了hMSCs的神经分化。这些结果表明，基质刚度对hMSCs的成骨和神经分化具有相反的调控作用。在成骨分化中，硬基质上培养的hMSCs表现出更高的成骨相关基因表达，而在神经分化中，软基质上培养的hMSCs则展现出更高的神经相关基因表达。这些发现揭示了基质刚度在调节hMSCs分化中的重要性，并可能对组织工程和再生医学中的细胞命运控制提供指导。
体内组织再生
在大鼠股骨缺损模型中，硬支架PTMCF0.5k促进了更多的新骨形成，而在坐骨神经损伤模型中，软导管PTMCF2k则促进了更好的神经再生。这些结果与体外研究结果一致，表明基质刚度对硬组织和软组织再生的影响趋势相反。在骨再生中，硬支架可能通过提供更接近天然骨的力学环境来促进骨细胞的增殖和分化。而在神经再生中，软导管可能通过减少对神经细胞的压迫和提供更适宜的微环境来促进神经细胞的生长和再生。
全转录组分析
通过对PTMCF2k神经导管中的新生神经组织进行RNA测序，发现与神经修复相关的基因表达发生变化，特别是那些涉及肌动蛋白细胞骨架调节的基因。这些结果为基质刚度如何通过调节基因表达来影响神经修复提供了新的见解，并可能有助于开发新的神经修复策略。
未来研究方向
尽管本研究提供了基质刚度对细胞行为和组织再生影响的重要见解，但仍有许多问题需要进一步研究。例如，需要探索不同细胞类型对基质刚度的具体响应机制，以及基质刚度如何影响细胞外基质的沉积和组织再生的微环境。此外，需要进行更多的体内研究来验证这些发现，并探索基质刚度对不同组织类型再生的影响。
临床应用前景
本研究开发的PTMCFs材料具有良好的生物相容性、可调的力学性能和生物降解性，使其成为制造无细胞组织工程支架和医疗设备的有前景的生物材料。这些材料的进一步开发可能为硬组织和软组织再生提供新的治疗策略。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202301158
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