从打印到监测：揭秘3D生物打印中天然水凝胶的创新之路？

在组织工程和再生医学领域，生物墨水是构建3D组织结构的关键材料。传统上，生物墨水主要基于细胞外基质 (ECM) 水凝胶，例如胶原蛋白、明胶、脱乙酰壳多糖、海藻酸盐、透明质酸和丝素蛋白。然而，这些传统生物墨水在打印性和结构保真度方面存在局限性，限制了它们在 3D生物打印中的应用。

1 胶原蛋白：生物相容性佳，但强度不足

胶原蛋白是人体中最丰富的蛋白质，在皮肤、骨骼和结缔组织中扮演重要角色。胶原蛋白生物墨水具有良好的生物相容性和细胞相容性，能够促进细胞粘附和增殖。然而，其机械强度和结构稳定性较差，限制了其在构建复杂组织结构中的应用。通过物理或化学交联技术，例如使用甲基丙烯酸基团进行修饰，可以增强胶原蛋白支架的机械性能，使其更适合3D生物打印。

2 明胶：多功能，但易降解

明胶是一种从胶原蛋白水解而来的天然生物聚合物，与胶原蛋白结构相似。明胶生物墨水具有良好的生物相容性、生物降解性和生物相容性，并且被认为是安全的。它在药物递送、牙科修复和伤口愈合等方面具有广泛的应用。然而，明胶在生理温度下的热稳定性较差，限制了其应用。幸运的是，开发了具有化学稳定性和物理完整性的明胶甲基丙烯酰 (GelMA) 水凝胶，使其成为最通用的水凝胶平台，适用于3D生物打印。

3 脱乙酰壳多糖：多功能，但溶解度有限

螺旋藻胶是一种从部分脱乙酰壳多糖中提取的多糖，与ECM中的糖胺聚糖具有结构相似性。螺旋藻胶生物墨水具有良好的生物相容性、生物降解性、生物相容性、非毒性、亲水性、抗菌和抗真菌特性，能够促进伤口愈合，最重要的是其多功能性。它在骨骼、皮肤和神经组织等 TE 应用中具有广泛的应用。然而，螺旋藻胶在生理环境下的溶解度有限，限制了其应用。幸运的是，开发了能够进行光聚合的螺旋藻胶衍生物，例如螺旋藻胶甲叉酸酯 (ChiMA 或 MAC)，使其成为可打印的水凝胶。

4 海藻酸盐：天然，但易坍塌

海藻酸盐是一种从褐藻中提取的天然阴离子多糖，具有良好的生物相容性、生物降解性和凝胶化特性。算盘子水凝胶可以模仿天然组织的ECM，为细胞生长和增殖提供支持环境。它在组织再生、伤口愈合和药物递送等方面具有广泛的应用。然而，算盘子水凝胶的机械强度不足以长期维持其结构和形状，在3D打印结构中往往会坍塌。通过将纳米材料（如纳米羟基磷灰石 (nHAp)）掺入水凝胶中，可以提高其打印性和结构完整性，使其更适合3D生物打印。

5 透明质酸：水合能力强，但稳定性差

透明质酸是一种在人体多种组织中发现的天然多糖，具有优异的水合能力。透明质酸水凝胶可以提供与人体组织 ECM 相似的3D基架，提供细胞粘附、增殖和迁移的功能。它在伤口愈合、软骨修复和药物递送等方面具有广泛的应用。然而，透明质酸水凝胶的打印性和打印后稳定性相对较低，因为其高肿胀性，导致其机械稳定性差，并且由于氧化而容易发生快速水解降解。通过化学修饰或物理交联来改善透明质酸水凝胶的机械性能和降解性，使其更适合3D生物打印。

6 丝素蛋白：强度高，但分辨率低

蚕丝素是一种存在于蚕丝纤维中的蛋白质，与ECM中的胶原蛋白相似。蚕丝素水凝胶具有优异的机械强度和结构完整性，在生理条件下可以保持其结构。它在软骨、骨骼和皮肤TE 中具有广泛的应用。然而，蚕丝素水凝胶的打印分辨率较低，难以满足原生TE的需求。通过将纳米纤维掺入蚕丝素/明胶生物墨水中，可以提高其打印分辨率和形状保真度，使其更适合3D生物打印。

7 dECM：生物相容性好，但易降解

dECM是通过化学、物理或酶解方法去除细胞成分而获得的细胞外基质支架，具有与天然组织相似的复杂结构。dECM水凝胶可以提供生物相容性和生物活性环境，引导细胞行为并促进功能性3D生物打印组织的形成。它在组织工程和再生医学中具有广泛的应用，例如生产生物墨水以制造3D结构。然而，dECM水凝胶的打印性和形状保真度较低，其纤维蛋白结构的天然结构在溶出过程中受到损伤，长期结构稳定性较差。通过化学修饰或物理交联来增强dECM 水凝胶的机械强度，并使其与纳米材料结合，以改善其打印性和结构完整性，使其更适合3D 生物打印。

参考文献

Yoon J, Han H, Jang J. Nanomaterials-incorporated hydrogels for 3D bioprinting technology. Nano Converg. 2023 Nov 15;10(1):52.