3D打印高分辨率與高保真度水凝膠的生物墨水

來源：發(fā)布時(shí)間：2025-08-04

本研究開發(fā)了氧化甲基丙烯酸藻酸鹽（OMA）水凝膠生物墨水，其具有剪切變稀和自修復(fù)特性，通過離子交聯(lián)實(shí)現(xiàn)快速凝膠化，結(jié)合二次光交聯(lián)增強(qiáng)穩(wěn)定性。該生物墨水成功實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞負(fù)載的 3D 生物打印，能構(gòu)建具有高分辨率（223-361μm）和高保真度（92-110%）的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，包括***無需支撐材料的懸垂結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)打印過程中人間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）存活率高，且經(jīng) 4 周培養(yǎng)可分化形成功能性軟骨組織，為復(fù)雜工程組織構(gòu)建提供了有效平臺。

1. 研究背景與挑戰(zhàn)· 3D 生物打印是構(gòu)建復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)，但傳統(tǒng)水凝膠生物墨水（如明膠、膠原等）存在關(guān)鍵缺陷：無法快速穩(wěn)定，導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)分辨率低、保真度差，難以形成自支撐復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

· 需求：開發(fā)兼具高打印精度、機(jī)械穩(wěn)定性、細(xì)胞相容性的生物墨水。

2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

（1）OMA 合成· 原料：海藻酸鈉經(jīng)氧化（高碘酸鈉）和甲基丙烯酸化（AEMA 偶聯(lián)）修飾，形成雙重交聯(lián)位點(diǎn)的 OMA。

· 表征：通過 1H NMR 確認(rèn)氧化度（1-2%）和甲基丙烯酸化度（5-20%）。

（2）3D 打印機(jī)· CELLINK BIO X生物3D打印機(jī)

（3）生物墨水制備· 鈣交聯(lián)：2% OMA 溶液與不同濃度 CaSO??2H?O（0-210 mg/ml）混合，形成離子交聯(lián) OMA。

· 細(xì)胞負(fù)載：hMSCs（第 3 代）懸浮于 OMA 溶液，濃度為5×10? cells/ml。（4）測試方法· 流變學(xué)檢測：使用 Kinexus ultra + 流變儀，評估剪切變稀、屈服應(yīng)力、儲能模量（G'）和損耗模量（G''）。

· 打印性能分析：測量不同針頭（22G、25G、27G）打印的絲直徑，計(jì)算立方體結(jié)構(gòu)（10×10×5 mm）的保真度。

· 細(xì)胞活性：Live/Dead 染色檢測打印后 hMSCs 存活率。

· 軟骨分化：4 周 chondrogenic 培養(yǎng)基培養(yǎng)，通過甲苯胺藍(lán)染色和 GAG/DNA 定量評估。

3. 關(guān)鍵結(jié)果

（1）OMA 生物墨水特性· 流變學(xué)：具有剪切變稀特性（粘度隨剪切速率增加而降低）、低剪切屈服應(yīng)力（<5 Pa），可快速自修復(fù)（ cyclic 應(yīng)變測試中 1 秒內(nèi)恢復(fù) G'）。

· 雙重交聯(lián)：離子交聯(lián)實(shí)現(xiàn)快速成型，光交聯(lián)（20 mW/cm2 UV 照射 1 min）增強(qiáng)長期穩(wěn)定性。

（2）打印性能· 分辨率：不同針頭打印絲直徑如下表：

· 保真度：立方體結(jié)構(gòu)打印保真度為92-110%，20G 與 22G 針頭無***差異。

· 復(fù)雜結(jié)構(gòu)：成功打印字母、同心環(huán)、UIC 標(biāo)志、耳朵等，***實(shí)現(xiàn)無支撐懸垂結(jié)構(gòu)（如碗、橋、字母 “K”）。

（3）細(xì)胞與組織形成· 細(xì)胞活性：打印和光交聯(lián)后 hMSCs 存活率高（Live/Dead 染色顯示大量活細(xì)胞）。

· 軟骨分化：4 周培養(yǎng)后，甲苯胺藍(lán)染色呈強(qiáng)陽性（紫色），出現(xiàn)軟骨陷窩結(jié)構(gòu)，GAG/DNA 含量***高于對照組（p<0.05）。

4. 結(jié)論

· OMA 生物墨水通過剪切變稀、自修復(fù)和雙重交聯(lián)特性，解決了傳統(tǒng)水凝膠的打印精度與穩(wěn)定性問題。

· 可實(shí)現(xiàn)高分辨率、高保真度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印，支持干細(xì)胞存活與分化，為復(fù)雜功能組織工程提供了高效平臺。

關(guān)鍵問題：

OMA 生物墨水的**特性是什么，如何解決傳統(tǒng)水凝膠生物墨水的缺陷？

**特性包括：①剪切變稀（低剪切應(yīng)力***動，便于擠出）；②快速自修復(fù)（移除剪切后迅速恢復(fù)機(jī)械強(qiáng)度，防止結(jié)構(gòu)坍塌）；③雙重交聯(lián)（離子交聯(lián)快速成型，光交聯(lián)增強(qiáng)長期穩(wěn)定性）。這些特性解決了傳統(tǒng)水凝膠難以快速穩(wěn)定、分辨率低、無法形成復(fù)雜自支撐結(jié)構(gòu)的缺陷。

本研究在 3D 生物打印的結(jié)構(gòu)精度與復(fù)雜性方面有哪些突破？

突破包括：①高分辨率：27G 針頭可打印直徑 223μm 的絲，接近針頭內(nèi)徑；②高保真度：立方體結(jié)構(gòu)保真度達(dá) 92-110%；③復(fù)雜結(jié)構(gòu)：成功打印字母、耳朵等，***實(shí)現(xiàn)無需支撐材料的懸垂結(jié)構(gòu)（如碗、橋），克服了傳統(tǒng)水凝膠因機(jī)械不穩(wěn)定無法打印懸垂結(jié)構(gòu)的限制。

OMA 生物墨水在組織工程中的應(yīng)用潛力體現(xiàn)在哪些方面？

應(yīng)用潛力包括：①良好的細(xì)胞相容性，支持 hMSCs 存活；②可引導(dǎo)干細(xì)胞分化（如軟骨分化），4 周內(nèi)形成功能性軟骨組織；③可**調(diào)控生化（如細(xì)胞粘附性）和物理特性（如機(jī)械強(qiáng)度、降解速率），適應(yīng)不同組織需求；④能打印臨床相關(guān)尺寸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為***再生提供可能。

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