作为工程化组织体外构建的基石，三维支架在支持细胞生长并发育成为具备功能的组织或器官方面发挥着至关重要的作用。随着3D 生物打印技术的飞速发展，工程化软组织已朝着结构更复杂、具有临床意义尺寸（0.1–10 cm）、更接近生理细胞密度等方向迈进。然而，现有支架难以同时满足工程化组织在机械特性（如结构完整性与稳定性）、理化特性（如孔隙率与孔道连通性）以及生物学特性（如高细胞密度与活性、血管化能力等）等多方面的需求，对支架的设计自由度提出了新的要求。
近日，湖南大学韩晓筱教授团队与中南大学湘雅三医院王维教授团队在《Nature Communications》期刊上发表题为“3D triply periodic minimal surface gyroid hydrogel scaffolds for soft tissue engineering”的研究论文。该研究将gyroid结构引入载细胞软组织工程，并探索了其在体外构建预血管化组织的能力水平。研究发现，gyroid具有良好的营养物质递送能力与机械稳定性，不仅支持在整个3D支架结构内部形成致密的微血管网络，其特有的连续高斯曲率还能通过机械转导促进内皮细胞的自组装。此外，在静态培养下实现了HepG2细胞与内皮细胞的高密度共培养，构建出了生理功能仿生的血管化肝肿瘤模型。植入小鼠体内后，血管新生能力显著增强，驱动了肿瘤组织的形成与快速生长。本研究验证了gyroid支架是一种具有生物学优势的结构，可用于构建较大体积的血管化组织结构，对提升软组织活性体的体内外功能具有重要作用。
首先，作者对不同结构参数下Gyroid结构的比表面积（图1b）、壁厚（图1c）、传质性能（图1g）、细胞活性（图1h,i）及力学性能（图1j）进行了系统表征与分析，筛选出兼具基质模量匹配、结构稳定、传质效率高效和细胞活性优异的Gyroid结构（相对密度20%，单元尺寸2.5mm）。与具有同等力学性能的传统晶格（Lattice）结构相比，该Gyroid结构的传质能力显著提高（图1n）。
图1. Gyroid结构优化设计
为验证该Gyroid结构与传统Lattice结构的血管化能力，作者采用载有1×10⁷ cells/mL HUVEC的GelMA生物墨水制备了两种结构（图2b），并在体外培养5天。对两种支架中HUVEC的活死染色（图2c）、缺氧情况（图2d）和细胞骨架（图2e）进行表征，结果表明Gyroid中的HUVEC活性更高、缺氧程度更轻、伪足更长。对两种支架中HUVEC的血管化情况进行染色（图2f）、血管形态分析（图2g,h,i,j）、WB（图2k,l）及q-PCR（图2m）表征与统计，结果显示Gyroid中HUVEC的CD31表达更为丰富，血管化程度显著更高。
图2. Gyroid支架血管化能力评估
受天然血管分叉处的双曲面结构启发，作者进一步探究了HUVEC对三维曲率的分子响应机制。作者采用载有1×10⁷cells/mL HUVEC的GelMA生物墨水制备了Gyroid单元结构（Hyperboloidal）及与其同体积、同壁厚的平板结构（Planar）。Hyperboloidal结构中的CD31表达（图3c,e）与细胞细长比（图3c,d）显著高于Planar结构。同时，通过IF染色（图3f,g,h,i）与WB（图3j,k,l）验证了HUVEC通过Integrin β1感知三维曲率，进而促进YAP入核，最终促进了HUVEC的伪足伸展与成管。值得注意的是中尺度下的曲率线索表现出最优异的成管能力，较高或较低的曲率下成管能力有所下降。
图3. Gyroid结构促血管化机制研究。
为构建血管化肝组织模型，作者将HepG2与HUVEC以4:1的比例混合，采用总细胞密度为2×10⁷ cells/mL的GelMA生物墨水制备了前述Gyroid与Lattice结构，并进行为期14天的共培养。该结构采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10 μm），并添加原创光散射抑制剂姜黄钠（Cur-Na），从而实现高细胞密度（2×107 cells/mL）的复杂曲面高精度制造。活死染色（图4a,b）与增殖测试（图4c）表明，Gyroid中的细胞具有更强的活性与增殖能力。缺氧的IF染色（图4d,e）与WB（图4f,g）显示，Gyroid中的细胞缺氧水平更低。HepG2与HUVEC的细胞膜荧光标记（图4h,i）进一步表明，Gyroid中两种细胞均表现出更强的增殖能力。
图4. Gyroid结构肝肿瘤模型长期培养能力评估。
为进一步验证Gyroid对细胞功能成熟的促进作用，作者首先对HepG2的形态进行表征（图5a,b），结果显示Gyroid中可形成更大的HepG2聚集体。血管化与肝功能的IF染色（图5c）、ELISA（图5d）、q-PCR（图5e）及WB（图5f,g）结果表明，Gyroid中的细胞具有更为成熟的功能表达。
图5. Gyroid结构促肝肿瘤模型功能成熟能力评估。
为验证Gyroid结构所构建的体外模型的体内促进效果，作者将培养至Day 12的模型进行皮下移植（图6a）。经过24天的体内培养，Gyroid组小鼠的成瘤速度明显更快（图6b），最终形成的肿瘤体积更大、血管更为丰富（图6c,d），而小鼠体重也因肿瘤负荷增加而相应降低。免疫荧光分析（图6f-j）显示，Gyroid组肿瘤内可灌注血管比例更高、血管数量更多、面积更大，且无残留水凝胶，降解更为完全。
图6. Gyroid结构促肝肿瘤模型体内血管化与成瘤能力评估。
总结：本研究设计的Gyroid水凝胶支架在兼顾力学稳定性与传质效率的同时，利用其负高斯曲率作为生物物理信号，引导内皮细胞自组装形成微血管网络。基于该支架构建的肝肿瘤模型在静态培养条件下形成了更接近体内真实情况的形态结构。小鼠植入实验证实，Gyroid支架可显著提高成瘤速度与血管化水平，且无炎症反应，证实了该支架在体外和体内应用中均具有良好的适用性。该工作为软组织工程与血管化组织提供了一种几何驱动的工程新策略。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73452-y
