用于組織工程與再生醫(yī)學的3D生物打印水凝膠——進展與挑戰(zhàn)

來源：EFL生物3D打印與生物制造

3D生物打印技術通過精確控制細胞和細胞外基質成分的空間分布，為構建復雜功能性組織器官提供了革命性方案。然而，傳統(tǒng)天然水凝膠存在機械性能弱、打印保真度低等缺陷，限制了其臨床應用。上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院傅強教授與張楷樂醫(yī)師系統(tǒng)綜述了水凝膠生物墨水的優(yōu)化策略，提出通過化學修飾、納米復合等手段開發(fā)高性能水凝膠，并展望其在皮膚、軟骨、心臟等組織再生中的潛力（圖1）。研究特別強調，合成與改性水凝膠（如甲基丙烯酰化明膠GelMA）結合光固化技術可顯著提升打印精度與細胞活性，為復雜器官重建提供了新思路。

相關研究進展以“Hydrogels for 3D bioprinting in tissue engineering and regenerative medicine: Current progress and challenges”為題發(fā)表于International Journal of Bioprinting（JCR Q1，IF：6.8）。

圖1. 3D生物打印技術原理示意圖

1. 水凝膠生物墨水的分類與優(yōu)化
通常將水凝膠分為天然聚合物（如海藻酸鈉、明膠）、合成聚合物（如聚乙二醇PEG）及改性天然水凝膠（如GelMA、甲基丙烯酸化殼聚糖）三大類。通過納米黏土、石墨烯等無機/碳基材料復合，可顯著提升水凝膠的機械性能與細胞相容性。例如，海藻酸鈉-明膠復合水凝膠（SA-Gel）結合nano-ATP后，壓縮模量顯著提升（圖2），骨再生效率顯著提高。

圖2. 改性殼聚糖與明膠的3D生物打印

2.納米復合水凝膠的創(chuàng)新應用
已有研究表明，納米黏土（Laponite）與海藻酸鈉-PEG復合水凝膠可打印出仿生耳鼻結構，其彈性模量與天然軟骨匹配；石墨烯氧化物（GO）摻雜水凝膠通過調控RANK信號通路促進軟骨保護（圖3）。此外，金納米棒（GNRs）與GelMA復合水凝膠可構建電信號傳導網絡，提升心肌細胞收縮協(xié)調性。

圖3.  (A) (i) 使用PACG-GelMA水凝膠-Mn²⁺作為頂層和PACG-GelMA水凝膠-BG作為底層的支架生物打印；(ii) 修復骨軟骨缺損的示意圖。(B) PEG-SA-納米黏土水凝膠的3D生物打印。(i) 不同形狀的3D生物打印：空心立方體、半球、金字塔、扭曲的耳朵形狀和鼻子；(ii) 使用堅韌且生物相容的水凝膠網格；(iii) HEK細胞的活細胞和死細胞染色；(iv) 7天后HEK細胞的活性測試。(C) (i) 紅外光譜：水凝膠（黑線）和附著于GO-np的水凝膠（紅線）；(ii) 水凝膠、GO-np、水凝膠/GO-np的活性測試，以及空白組中的軟骨細胞；(iii) 打印的溶脹率；(iv) 含碳納米管（CNTs）的Gel-SA水凝膠支架的孔隙率。

3. 臨床前器官打印突破
團隊總結了皮膚、氣管、尿道等管狀器官及心臟等復雜器官的3D打印進展。例如，原位生物打印技術可直接在創(chuàng)面逐層沉積自體細胞-水凝膠復合物，加速全層皮膚缺損愈合；甲基丙烯酰化絲素蛋白（Sil-MA）支架成功修復兔氣管缺損，新生軟骨與上皮組織功能完整（圖4）。

圖4.  (A) 原位打印的示意圖；小鼠皮膚原位打印實驗的比較。(B) 使用DLP技術打印絲素蛋白-GMA水凝膠制備氣管支架，用于兔模型以促進軟骨組織和上皮的再生。(C) 首個打印的器官是懸浮介質中打印的心臟。(D) 3D打印腎臟模型的流程圖。

研究意義與展望
3D生物打印技術的成功不僅依賴于打印工藝與技術平臺，還高度依賴于生物材料的性能優(yōu)化和細胞的相互作用。綜述指出，水凝膠作為一種極具潛力的生物墨水，在軟硬組織再生中展現了廣泛的應用前景。通過納米材料復合、表面化學修飾以及活性因子調控，研究有效改善了水凝膠的機械性能、生物相容性和穩(wěn)定性。然而，當前生物墨水在滿足打印需求與提供理想三維微環(huán)境方面仍面臨挑戰(zhàn)。未來，開發(fā)新型水凝膠生物墨水并優(yōu)化打印參數，將為組織工程與臨床轉化提供更加堅實的支持。這一領域的不斷突破，必將助力醫(yī)療技術邁向新高度，為個性化醫(yī)療和器官重建開辟廣闊前景。

該工作獲國家自然科學基金（82170694、81700590）、上海交通大學“醫(yī)工交叉基金”（YG2022ZD020）等資助。

文章鏈接: https://doi.org/10.18063/ijb.759