《Bioactive Materials》：Geometry-driven immunomodulation in 3D-printed bioceramics: Negative curvature promotes macrophage M2 polarization via Ras-MAPK/HIF-1α signaling for vascularized osteogenesis
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本研究针对骨再生中生物材料几何特征调控免疫微环境的机制不明问题，通过构建高斯曲率梯度β-TCP生物陶瓷平台，首次揭示负曲率（K-< -1.72 mm-2）通过抑制Ras-MAPK通路下调HIF-1α，促进巨噬细胞M2极化并增强BMP2/VEGF分泌，最终在兔桡骨临界尺寸缺损模型中实现42.4%骨量提升。该研究为拓扑结构介导的免疫调节生物材料设计提供了定量化理论依据。
在骨组织工程领域，生物材料的设计理念已从单纯的生物相容性要求升级为能够主动调控再生过程的生物适应性系统。其中，免疫调节特性被视为材料生物适应性的核心要素，对组织再生结局具有决定性作用。尽管当前研究多聚焦于生化因子的免疫调控，越来越多的证据表明生物物理线索——特别是几何拓扑特征——已成为免疫应答的关键调控因子。然而，实现不依赖外源因子的拓扑结构免疫调节仍面临两大挑战：生物材料拓扑参数控制的精度不足，以及对拓扑结构介导的免疫调节机制理解有限。
曲率作为生物材料拓扑形态的基本量化参数，其生物学调控功能逐渐受到关注。高斯曲率与平均曲率分别描述三维结构的局部弯曲特征和整体形态特性。天然骨小梁的形态学研究显示，随着杆状结构增加，负平均曲率和负高斯曲率特征显著增强，这些曲率特征与骨组织内的力学传导及生理过程密切相关。在细胞层面，不同类型细胞对曲率的响应存在明显差异：间充质干细胞在凸面表现出更强的成骨分化，而内皮细胞则倾向于沿圆柱面径向粘附，这种细胞特异性"趋曲性"主要通过细胞骨架张力传递至细胞核介导。然而，将这些细胞尺度的曲率感应研究成果转化为功能性组织再生仍面临挑战。
发表于《Bioactive Materials》的这项研究通过构建高通量高斯曲率梯度芯片，系统解析了曲率对骨再生相关细胞行为的调控规律。研究团队采用数字光处理3D打印技术制备了具有精确高斯曲率梯度（K = -4.91至+4.82 mm-2）的β-磷酸三钙（β-TCP）生物陶瓷平台，通过单细胞转录组测序等技术深入探究了曲率调控免疫微环境的分子机制。
研究的关键技术方法包括：基于Rhinocero软件的多管道参数化建模技术构建高斯曲率梯度结构；数字光处理（DLP）3D打印制备β-TCP高通量芯片；微CT重建结合曲率分析验证结构保真度；单细胞转录组测序（RNA-seq）解析信号通路；免疫荧光染色和蛋白质印迹（Western blot）验证蛋白表达；兔桡骨临界尺寸缺损模型（15 mm）进行体内验证。
2.1. 高斯曲率梯度高通量结构芯片
研究人员设计了一系列节点尺寸和支柱尺寸可控的菱形桁架结构，成功构建了高斯曲率从-4.91到+4.82 mm-2的梯度平台。微CT重建和曲率分析证实了结构的精确性，支柱呈现圆柱形（K≈0）、椭球形（K>0）和双曲形（K<0）三种典型形态。
2.2. 多细胞对高斯曲率的响应特征
研究发现巨噬细胞极化对高斯曲率变化表现出特殊敏感性。负曲率（K-）显著促进M2型极化（CD206表达上调1.29-2.76倍）和内皮细胞CD31表达，而近零曲率（Cyl/+0.55）更利于多种细胞募集和hBMSC的ALP表达。hBMSC在负曲率区域呈现铺展形态（细胞面积1601.37±600.83 μm2），而在正曲率区域则表现为伸长形态（578.03±214.87 μm2）。
2.3. 负高斯曲率促进巨噬细胞M2极化
qPCR结果显示，K+组CCR7和IL6表达升高，而K-组M2相关基因CD206和IL10表达显著增强。ELISA检测发现Hyp/-4.91和Hyp/-1.72组Arg-1表达较正曲率组上调2.09-2.82倍（p<0.001）。流式细胞术证实K-支架诱导CD206+M2巨噬细胞比例达74.5-81.2%，接近IL-4阳性对照水平。
2.4. 曲率调控巨噬细胞极化的机制
RNA-seq分析显示，负曲率通过微管 destabilization 抑制Ras-MAPK信号转导（RTK-Ras-Raf-ERK-MAPK通路下调），进而降低HIF-1α表达。药理学干预实验证实，微管稳定剂Paclitaxel处理可逆转负曲率的M2极化促进作用，而MAPK抑制剂Adezmapimod则增强M2极化效应。
2.5. 负曲率增强骨再生相关因子分泌
条件培养基分析表明，K-组巨噬细胞分泌的BMP-2水平显著提高，招募rBMSC数量增加3倍。Hyp/-1.72组条件培养基培养的rBMSC表现出更高的ALP活性和成骨基因（Col-I、RunX2、ALP）表达。同时，K-组VEGF和TGF-β分泌增加，促进MS1内皮细胞管腔形成。
2.6. 体内免疫反应评估
肌肉袋植入实验显示，植入7天后Hyp/-4.91支架IL-10+细胞数量较Ell/+4.82组增加1.5倍。qPCR结果证实K-组M2标志物（IL10、CD206）持续高表达，而K+组促炎因子（TNF-α、CCR7）表达升高。
2.7. 大尺寸骨缺损修复效果
在15 mm兔桡骨缺损模型中，Micro-CT血管造影显示K-支架内血管长入显著增加。序列荧光标记表明Hyp/-4.91组新骨生长速率达4.49±1.04 μm/天，显著高于Ell/+4.82组（1.86±0.33 μm/天）。12周时Hyp/-1.72组骨体积分数（BV/TV）达42.41±3.33%，较Ell/+4.82组提高42.4%。生物力学测试显示Hyp/-1.72组扭转强度达到天然骨的83.81%（23.97±1.29 MPa）。
研究结论与讨论部分指出，该工作首次实验证实负高斯曲率（K-）作为M2巨噬细胞极化的几何决定因子，通过"微管-MAPK-HIF-1α"轴调控免疫微环境。负曲率不仅促进巨噬细胞向M2表型转化，还刺激其分泌VEGF、TGF-β和BMP-2等关键因子，协同增强血管化和成骨过程。特别值得注意的是，这种几何免疫调节策略通过上调内源性BMP2和VEGF实现 robust 再生，无需外源生长因子参与，显著提高了治疗安全性。
该研究建立的曲率-免疫-成骨调控轴，将骨再生生物材料设计从经验优化推向理性设计新阶段。基于高斯曲率的定量化设计原则为开发智能骨再生材料提供了理论基础，其免疫调节策略还可拓展至金属植入物和高分子材料系统，通过几何线索优化骨整合效果。未来研究可聚焦多尺度拓扑协同效应验证及高级临床前模型疗效评估，推动几何免疫调节理论向临床转化。
