作為工程化組織體外構建的基石，三維支架在支持細胞生長并發育成為具備功能的組織或器官方面發揮著至關重要的作用。隨著3D 生物打印技術的飛速發展，工程化軟組織已朝著結構更復雜、具有臨床意義尺寸（0.1–10 cm）、更接近生理細胞密度等方向邁進。然而，現有支架難以同時滿足工程化組織在機械特性（如結構完整性與穩定性）、理化特性（如孔隙率與孔道連通性）以及生物學特性（如高細胞密度與活性、血管化能力等）等多方面的需求，對支架的設計自由度提出了新的要求。
近日，湖南大學韓曉筱教授團隊與中南大學湘雅三醫院王維教授團隊在《Nature Communications》期刊上發表題為“3D triply periodic minimal surface gyroid hydrogel scaffolds for soft tissue engineering”的研究論文。該研究將gyroid結構引入載細胞軟組織工程，并探索了其在體外構建預血管化組織的能力水平。研究發現，gyroid具有良好的營養物質遞送能力與機械穩定性，不僅支持在整個3D支架結構內部形成致密的微血管網絡，其特有的連續高斯曲率還能通過機械轉導促進內皮細胞的自組裝。此外，在靜態培養下實現了HepG2細胞與內皮細胞的高密度共培養，構建出了生理功能仿生的血管化肝腫瘤模型。植入小鼠體內后，血管新生能力顯著增強，驅動了腫瘤組織的形成與快速生長。本研究驗證了gyroid支架是一種具有生物學優勢的結構，可用于構建較大體積的血管化組織結構，對提升軟組織活性體的體內外功能具有重要作用。
首先，作者對不同結構參數下Gyroid結構的比表面積（圖1b）、壁厚（圖1c）、傳質性能（圖1g）、細胞活性（圖1h,i）及力學性能（圖1j）進行了系統表征與分析，篩選出兼具基質模量匹配、結構穩定、傳質效率高效和細胞活性優異的Gyroid結構（相對密度20%，單元尺寸2.5mm）。與具有同等力學性能的傳統晶格（Lattice）結構相比，該Gyroid結構的傳質能力顯著提高（圖1n）。
圖1. Gyroid結構優化設計
為驗證該Gyroid結構與傳統Lattice結構的血管化能力，作者采用載有1×10? cells/mL HUVEC的GelMA生物墨水制備了兩種結構（圖2b），并在體外培養5天。對兩種支架中HUVEC的活死染色（圖2c）、缺氧情況（圖2d）和細胞骨架（圖2e）進行表征，結果表明Gyroid中的HUVEC活性更高、缺氧程度更輕、偽足更長。對兩種支架中HUVEC的血管化情況進行染色（圖2f）、血管形態分析（圖2g,h,i,j）、WB（圖2k,l）及q-PCR（圖2m）表征與統計，結果顯示Gyroid中HUVEC的CD31表達更為豐富，血管化程度顯著更高。
圖2. Gyroid支架血管化能力評估
受天然血管分叉處的雙曲面結構啟發，作者進一步探究了HUVEC對三維曲率的分子響應機制。作者采用載有1×10?cells/mL HUVEC的GelMA生物墨水制備了Gyroid單元結構（Hyperboloidal）及與其同體積、同壁厚的平板結構（Planar）。Hyperboloidal結構中的CD31表達（圖3c,e）與細胞細長比（圖3c,d）顯著高于Planar結構。同時，通過IF染色（圖3f,g,h,i）與WB（圖3j,k,l）驗證了HUVEC通過Integrin β1感知三維曲率，進而促進YAP入核，最終促進了HUVEC的偽足伸展與成管。值得注意的是中尺度下的曲率線索表現出最優異的成管能力，較高或較低的曲率下成管能力有所下降。
圖3. Gyroid結構促血管化機制研究。
為構建血管化肝組織模型，作者將HepG2與HUVEC以4:1的比例混合，采用總細胞密度為2×10? cells/mL的GelMA生物墨水制備了前述Gyroid與Lattice結構，并進行為期14天的共培養。該結構采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S140，精度：10 μm），并添加原創光散射抑制劑姜黃鈉（Cur-Na），從而實現高細胞密度（2×107 cells/mL）的復雜曲面高精度制造。活死染色（圖4a,b）與增殖測試（圖4c）表明，Gyroid中的細胞具有更強的活性與增殖能力。缺氧的IF染色（圖4d,e）與WB（圖4f,g）顯示，Gyroid中的細胞缺氧水平更低。HepG2與HUVEC的細胞膜熒光標記（圖4h,i）進一步表明，Gyroid中兩種細胞均表現出更強的增殖能力。
圖4. Gyroid結構肝腫瘤模型長期培養能力評估。
為進一步驗證Gyroid對細胞功能成熟的促進作用，作者首先對HepG2的形態進行表征（圖5a,b），結果顯示Gyroid中可形成更大的HepG2聚集體。血管化與肝功能的IF染色（圖5c）、ELISA（圖5d）、q-PCR（圖5e）及WB（圖5f,g）結果表明，Gyroid中的細胞具有更為成熟的功能表達。
圖5. Gyroid結構促肝腫瘤模型功能成熟能力評估。
為驗證Gyroid結構所構建的體外模型的體內促進效果，作者將培養至Day 12的模型進行皮下移植（圖6a）。經過24天的體內培養，Gyroid組小鼠的成瘤速度明顯更快（圖6b），最終形成的腫瘤體積更大、血管更為豐富（圖6c,d），而小鼠體重也因腫瘤負荷增加而相應降低。免疫熒光分析（圖6f-j）顯示，Gyroid組腫瘤內可灌注血管比例更高、血管數量更多、面積更大，且無殘留水凝膠，降解更為完全。
圖6. Gyroid結構促肝腫瘤模型體內血管化與成瘤能力評估。
總結：本研究設計的Gyroid水凝膠支架在兼顧力學穩定性與傳質效率的同時，利用其負高斯曲率作為生物物理信號，引導內皮細胞自組裝形成微血管網絡?；谠撝Ъ軜嫿ǖ母文[瘤模型在靜態培養條件下形成了更接近體內真實情況的形態結構。小鼠植入實驗證實，Gyroid支架可顯著提高成瘤速度與血管化水平，且無炎癥反應，證實了該支架在體外和體內應用中均具有良好的適用性。該工作為軟組織工程與血管化組織提供了一種幾何驅動的工程新策略。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73452-y
