本研究旨在解决传统水凝胶生物墨水3D生物打印后难以快速稳定、分辨率和保真度低的问题,开发了具有剪切变稀和自修复特性的氧化和甲基丙烯酸酯化海藻酸盐(OMA)生物墨水。该墨水通过钙离子交联实现快速自修复稳定,再经光交联增强力学性能,成功打印出高分辨率(filament直径223-361μm)、高保真度(92-110%)的复杂结构(如悬垂结构、耳朵模型等)。负载的人骨髓间充质干细胞(hMSCs)存活率高,且在长期培养中可分化为软骨组织,为复杂功能组织工程提供了有效平台。

思维导图

1.研究背景与挑战

水凝胶的应用基础:水凝胶是亲水性聚合物的 3D 网络,因生物相容性好、可模拟细胞外基质(ECM),广泛用于组织工程,但传统水凝胶难以打印出复杂、高精度的 3D 结构。

3D 生物打印的核心问题:多数水凝胶生物墨水挤出后无法快速稳定,导致分辨率低、保真度差,难以形成自支撑结构,限制了其在复杂组织构建中的应用。

研究目标:开发新型水凝胶生物墨水,需满足高打印分辨率和保真度、可调力学性能和降解速率、高细胞活力。

2. OMA 生物墨水的制备

OMA 的合成:通过海藻酸盐的氧化(使用高碘酸钠)和甲基丙烯酸酯化(使用 2 - 氨基乙基甲基丙烯酸酯)制备,可调节氧化度(1%、2%)和甲基丙烯酸酯化度(5%、10%、20%)。

生物墨水配制:2 w/v% OMA 溶于 DMEM,添加 0.05 w/v% 光引发剂;与不同浓度硫酸钙 slurry(0-210.0 mg/ml)混合,通过钙离子交联形成初始结构,后续可经紫外光(20 mW/cm^2,1 min)二次交联增强稳定性。

3. 3D 生物打印系统与流程

打印机改装:改装 Printrbot 打印机,替换为注射器泵挤出系统,兼容 Cura 软件;同时使用商用打印机(Biobot Basic、Bio XTM)。

打印参数:使用 22G、25G、27G 针头,通过对应软件控制,打印结构包括立方体、字母、耳朵、悬垂结构(碗、桥等)。

4. OMA 生物墨水的关键性能(流变学特性)

由高粘度海藻酸盐合成的OMA(1OX20MA)生物油墨的表征。OMA生物墨水的粘度测量与(a)剪切力的关系速率和(B)剪应力分别表明了其剪切减薄和剪切屈服行为。(C)OMA-15[OMA+15μl CaSO4(1.22M)]、(D)OMA-20[OMA+20μl CaSO4(1.22 M)]、(E)OMA-25[OMA+25μl CaSO_4(1.22 M])和(F)OMA-40[OMA+40μl CaS04(1.22M)]生物墨水表明OMA生物墨水具有机械稳定性。(G)OMA-15、(H)OMA-20、(I)OMA-25和(J)OMA-40生物墨水的应变扫描测试。OMA的G′和G′′交叉生物墨水作为剪切应变的函数,在较高的剪切应变下表现出凝胶到溶胶的转变。(K)OMA-15、(L)动态应变试验期间剪切模量的变化OMA-20、(M)OMA-25和(N)OMA-40生物墨水在1 Hz下具有交替的低(1%)和高(100%)应变,表明它们在固体样之间快速过渡并且在几秒钟内表现出类似液体的行为,这表明具有自愈或触变特性。(O)使用BioX打印机上的OMA生物墨水的3D打印结构(5×5×3 mm)的照片。

5. 3D 打印效果:分辨率与保真度

高分辨率:随针头内径减小(22G:413μm→27G:210μm),打印 filament 直径相应减小(361μm→223μm),为针头内径的 88-106%。

高保真度:10×10×5 mm 立方体打印后,尺寸保真度达 92-110%;复杂结构(UIC 标志、耳朵)及悬垂结构(无需支撑)均能精准打印

6.细胞活性与功能分化

细胞活力:hMSCs 负载浓度为 5×10