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特性，通過離子交聯(lián)實現(xiàn)快速凝膠化，結合二次光交聯(lián)增強穩(wěn)定性。該生物墨水成功實現(xiàn)干細胞負載的 3D 生物打印，能構建具有高分辨率（223-361μm）和高保真度（92-110%）的復雜幾何結構，包括***無需支撐材料的懸垂結構。實驗證實打印過程中人間充質干細胞（hMSCs）存活率高，且經 4 周培養(yǎng)可分化形成功能性軟骨組織，為復雜工程組織構建提供了有效平臺。

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

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

2. 實驗設計與方法

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

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

（2）3D 打印機· CELLINK BIO X生物3D打印機

（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。

· 細胞負載：hMSCs（第 3 代）懸浮于 OMA 溶液，濃度為5×10? cells/ml。（4）測試方法· 流變學檢測：使用 Kinexus ultra + 流變儀，評估剪切變稀、屈服應力、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，計算立方體結構（10×10×5 mm）的保真度。

· 細胞活性：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)，通過甲苯胺藍染色和 GAG/DNA 定量評估。

3. 關鍵結果

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

· 雙重交聯(lián)：離子交聯(lián)實現(xiàn)快速成型，光交聯(lián)（20 mW/cm2 UV 照射 1 min）增強長期穩(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：立方體結構打印保真度為92-110%，20G 與 22G 針頭無***差異。

· 復雜結構：成功打印字母、同心環(huán)、UIC 標志、耳朵等，***實現(xiàn)無支撐懸垂結構（如碗、橋、字母 “K”）。

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

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

4. 結論

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

· 可實現(xiàn)高分辨率、高保真度的復雜結構打印，支持干細胞存活與分化，為復雜功能組織工程提供了高效平臺。

關鍵問題：

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?。ǖ图羟袘?**動，便于擠出）；②快速自修復（移除剪切后迅速恢復機械強度，防止結構坍塌）；③雙重交聯(lián)（離子交聯(lián)快速成型，光交聯(lián)增強長期穩(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、無法形成復雜自支撐結構的缺陷。

本研究在 3D 生物打印的結構精度與復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，接近針頭內徑；②高保真度：立方體結構保真度達 92-110%；③復雜結構：成功打印字母、耳朵等，***實現(xiàn)無需支撐材料的懸垂結構（如碗、橋），克服了傳統(tǒng)水凝膠因機械不穩(wěn)定無法打印懸垂結構的限制。

OMA 生物墨水在組織工程中的應用潛力體現(xiàn)在哪些方面？

應用潛力包括：①良好的細胞相容性，支持 hMSCs 存活；②可引導干細胞分化（如軟骨分化），4 周內形成功能性軟骨組織；③可**調控生化（如細胞粘附性）和物理特性（如機械強度、降解速率），適應不同組織需求；④能打印臨床相關尺寸的復雜結構，為***再生提供可能。

關注我們了解更多內容

from clipboard