目前傳統的人工角膜存在與組織邊緣對合不齊，上皮化困難，上皮易脫落等問題，這是因為它們大多考慮的是成分的仿生，而忽略了角膜結構的仿生，結構決定功能，一個好的角膜修復材料需兼具成分與結構的仿生。普通的制備手段很難對患者的角膜曲率結構進行個性化定制，而3D打印可以很好的解決這個問題。且角膜曲率對組織功能的正常發揮有重要作用，如圓錐角膜的發生會導致上皮細胞異常，因此研究如何構建曲率角膜修復材料和研究細胞在曲率環境中的生長行為對角膜修復有重要作用。
近期，華南理工大學任力教授團隊采用膠原和可光交聯的甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠，通過溫控3D打印技術制備具有曲率結構的光滑表面角膜修復材料（圖1），用于促進角膜基質再生和角膜功能恢復。由于具有微納尺寸拓撲結構的表面可以引導細胞行為的改變，如細胞分化和排列，組織中許多曲率結構對發揮組織正常功能必不可少。但是具有毫米級尺寸的曲率是否對細胞有調控作用，并能否進一步促進角膜修復仍未可知。天然角膜上角膜上皮細胞的分布和黏附也存在差異，這對上皮功能的維持至關重要。因此作者通過將角膜上皮細胞接種在仿生角膜的不同區域，并與平面結構對比，以此觀察打印角膜是否具有與天然角膜類似的功能。研究發現，當角膜曲率在一定正常范圍內，曲面比平面更能促進細胞的定向排列和黏附，在曲面上有更高的黏附相關基因和蛋白的表達。進一步地，通過觀察在曲率角膜的上皮細胞行為，發現上皮細胞在坡度更陡的區域能有更定向的細胞排列和更高黏附標記物的表達（圖2-3）。作者還對黏附行為開展了信號通路分析，結果表明曲率可以通過調節integrin β，FAK，vinculin等細胞信號蛋白來調控上皮細胞的形狀和黏附（圖7）。力學模擬實驗表明細胞在曲面上會受到更大的剪切應力，其定向排列和黏附能力更強（圖4）。作者隨后在兔角膜缺損模型開展了打印曲率角膜的測試實驗，結果表明曲率角膜在短期內能促進上皮黏附（圖5），使得修復更快速和牢固，其長期修復效果較對照組均有明顯的提升（圖6），為角膜修復材料的設計提供了新思路。這一曲率角膜促進角膜再生修復及其機理迄今為止是首次發現。該工作以“Biomimetic Convex Implant for Corneal Regeneration Through 3D Printing”為題發表在《Advanced Science》上，論文第一作者為華南理工大學博士研究生徐穎妮，通訊作者為華南理工大學任力教授，共同通訊作者為浙江大學季葆華教授、華南理工大學宋文婧副教授和中山大學眼科中心袁進教授。
本研究針對目前人工角膜與組織邊緣對合不齊，上皮化困難，上皮易脫落等難題，通過3D打印技術構建具有光滑表面的曲率角膜，突破了3D打印人工角膜易產生“臺階效應”的限制。所制備的曲率角膜可誘導細胞排列，促進上皮細胞黏附，加快角膜再上皮化進程（3天）和基質、神經再生，具有巨大的臨床價值和前景。是團隊近期關于角膜再生修復材料的最新進展之一，近年來，團隊一直致力于開發出適合臨床使用的角膜再生修復材料，在無縫線縫合角膜材料(Acta Biomaterialia, 2022, DOI:10,1016/j.actbio.2022.09.049)，Micro RNA治療角膜上皮缺損(Bioactive Materials, 2022, Doi:10.1016/j.bioactmat.2022.07.011)，高效率交聯劑、雙交聯網絡提升材料力學性能(International Journal of Biological Macromolecules, 2021, Doi:10.1016/j.ijbiomac.2021.09.144; Acs Applied Polymer Materials, 2022, DOI:10.1021/acsapm.2c00472)等方面做出重大突破，有效解決了目前人工角膜不耐縫合、易溶解等問題，極大推動了角膜領域的發展，為角膜盲患者重見光明帶來希望，增進人民福祉。
圖1 3D打印角膜制備工藝優化圖及角膜實物圖，溫度是影響打印表面是否出現“臺階效應”的關鍵
圖2 曲率角膜具有調控RCECs細胞取向排列形態的功能，細胞傾向于沿著曲率經線方向生長，且坡度的增加會使得細胞更加細長和對齊
圖3 曲率角膜能提高RCECs的黏附能力，促進細胞核收縮和染色質凝縮，與黏附和核相關的基因均比平面組高表達,在黏附蛋白表達方面曲率角膜也具有優勢
圖4 有限元分析曲率角膜不同坡度上RCECs的受力狀態，坡度越陡的地方，細胞受到的剪切力越大，與角膜基底的牽引力越大，即細胞取向和極化程度增加，黏附力增大
圖5 曲率角膜在動物體內的有效性驗證，能夠促進角膜上皮化進程（<3天），與組織邊緣對合更緊密，在結構方面比平面膜更有優勢
圖6 曲率角膜長期在體促進角膜基質和神經修復圖。通過長達180天的觀察，曲率角膜組基質再生能力強，角膜厚度恢復，角膜透明，神經再生，而對照組修復效果不理想，說明3D打印曲率角膜具有臨床應用的前景
圖7 曲率角膜調控RCECs行為的機制圖，曲率通過整合素（integrin-based）信號通路增強細胞黏附
該研究得到了國家自然科學基金項目(52173123,11932017)，國家重點研發計劃項目(2017YFC1105000)，廣東省重點領域研發計劃項目(2020B1111150002和2019B010941002)，廣東省科技計劃項目(2021A1515010878)，廣州市重點研發計劃項目(202206010160)，生物島實驗室前沿研究項目(廣州再生醫學與健康實驗室，2018GZR110105008)，中央高校基本科研業務費專項資金的資助。
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