用富含干細胞的生物墨水打印高保真功能組織

來源：發(fā)布時間：2025-07-23

本研究旨在解決傳統(tǒng)水凝膠生物墨水 3D 生物打印后難以快速穩(wěn)定、分辨率和保真度低的問題，開發(fā)了具有剪切變稀和自修復特性的氧化和甲基丙烯酸酯化海藻酸鹽（OMA）生物墨水。該墨水通過鈣離子交聯(lián)實現(xiàn)快速自修復穩(wěn)定，再經光交聯(lián)增強力學性能，成功打印出高分辨率（ filament 直徑 223-361μm）、高保真度（92-110%）的復雜結構（如懸垂結構、耳朵模型等）。負載的人骨髓間充質干細胞（hMSCs）存活率高，且在長期培養(yǎng)中可分化為軟骨組織，為復雜功能組織工程提供了有效平臺。

思維導圖

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1. 研究背景與挑戰(zhàn)·

水凝膠的應用基礎：水凝膠是親水性聚合物的 3D 網絡，因生物相容性好、可模擬細胞外基質（ECM），***用于組織工程，但傳統(tǒng)水凝膠難以打印出復雜、高精度的 3D 結構。

· 3D 生物打印的**問題：多數(shù)水凝膠生物墨水擠出后無法快速穩(wěn)定，導致分辨率低、保真度差，難以形成自支撐結構，限制了其在復雜組織構建中的應用。

· 研究目標：開發(fā)新型水凝膠生物墨水，需滿足高打印分辨率和保真度、可調力學性能和降解速率、高細胞活力。

2. OMA 生物墨水的制備·

OMA 的合成：通過海藻酸鹽的氧化（使用高碘酸鈉）和甲基丙烯酸酯化（使用 2 - 氨基乙基甲基丙烯酸酯）制備，可調節(jié)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% 光引發(fā)劑；與不同濃度硫酸鈣 slurry（0-210.0 mg/ml）混合，通過鈣離子交聯(lián)形成初始結構，后續(xù)可經紫外光（20 mW/cm2，1 min）二次交聯(lián)增強穩(wěn)定性。

3. 3D 生物打印系統(tǒng)與流程

· 打印機改裝：改裝 Printrbot 打印機，替換為注射器泵擠出系統(tǒng)，兼容 Cura 軟件；同時使用商用打印機（Biobot Basic、Bio X?）。

· 打印參數(shù)：使用 22G、25G、27G 針頭，通過對應軟件控制，打印結構包括立方體、字母、耳朵、懸垂結構（碗、橋等）。

4. OMA 生物墨水的關鍵性能（流變學特性）

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圖一、由高粘度海藻酸鹽合成的OMA（1OX20MA）生物油墨的表征。OMA生物墨水的粘度測量與（a）剪切力的關系速率和（B）剪應力分別表明了其剪切減薄和剪切屈服行為。（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生物墨水具有機械穩(wěn)定性。（G）OMA-15、（H）OMA-20、（I）OMA-25和（J）OMA-40生物墨水的應變掃描測試。OMA的G′和G′′交叉生物墨水作為剪切應變的函數(shù)，在較高的剪切應變下表現(xiàn)出凝膠到溶膠的轉變。（K）OMA-15、（L）動態(tài)應變試驗期間剪切模量的變化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%）應變，表明它們在固體樣之間快速過渡并且在幾秒鐘內表現(xiàn)出類似液體的行為，這表明具有自愈或觸變特性。（O）使用BioX打印機上的OMA生物墨水的3D打印結構（5×5×3 mm）的照片。

5. 3D 打印效果：分辨率與保真度

· 高分辨率：隨針頭內徑減小（22G：413μm→27G：210μm），打印 filament 直徑相應減小（361μm→223μm），為針頭內徑的 88-106%。

· 高保真度：10×10×5 mm 立方體打印后，尺寸保真度達 92-110%；復雜結構（UIC 標志、耳朵）及懸垂結構（無需支撐）均能精細打印

6. 細胞活性與功能分化

· 細胞活力：hMSCs 負載濃度為 5×10? cells/ml，打印及光交聯(lián)后，Live/Dead 染色顯示高存活率。

· 軟骨分化：在軟骨誘導培養(yǎng)基中培養(yǎng) 4 周后，甲苯胺藍染色呈強陽性（紫色），GAG/DNA 含量***高于對照組（p<0.05），觀察到軟骨陷窩結構，表明形成功能性軟骨組織。

圖二使用改良的Printrbot打印機與由高粘度藻酸鹽合成的負載hMSC的OMA生物墨水區(qū)分3D生物打印構建體。代表性的（A）活的、（B）死的和（C）在第0天的光交聯(lián)3D打印結構的合并顯微照片。在光交聯(lián)之前和之后使用負載hMSC的OMA生物墨水（D）3D打印耳朵。甲苯胺藍O染色前后軟骨分化的3D打印耳朵（F）和（G）。在（H）軟骨生成（Chondro）和（I）生長培養(yǎng)基（對照）中培養(yǎng)的甲苯胺藍O染色構建體切片的顯微照片。（J）3D打印構建體中GAG/DNA的定量。白色、紅色和黑色刻度條分別表示200μm、1 cm和100μm。*與對照組相比，p<0.05。

7. 結論·

OMA 生物墨水憑借剪切變稀、自修復及雙重交聯(lián)特性，解決了傳統(tǒng)水凝膠打印的關鍵挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高分辨率、高保真復雜結構（包括懸垂結構）的打印。

· 負載的 hMSCs 可存活并分化為功能組織，為組織工程和再生醫(yī)學提供了高效、可擴展的平臺。

關鍵問題：

問題：OMA 生物墨水相比傳統(tǒng)水凝膠生物墨水，在 3D 打印中解決了哪些**缺陷？

答案：傳統(tǒng)水凝膠生物墨水存在打印后難以快速穩(wěn)定、分辨率和保真度低、無法支撐復雜結構（如懸垂結構）的缺陷。OMA 生物墨水通過剪切變稀特性實現(xiàn)順利擠出，快速自修復特性（秒級恢復機械性能）確保打印后立即穩(wěn)定，雙重交聯(lián)（鈣交聯(lián) + 光交聯(lián)）增強力學性能，從而實現(xiàn)高分辨率（filament 直徑 223-361μm）、高保真度（92-110%），并能打印無需支撐的懸垂結構，克服了傳統(tǒng)缺陷。

問題：研究中如何驗證 OMA 生物墨水打印結構的功能可行性？

答案：通過干細胞負載與分化實驗驗證功能可行性：① 負載的 hMSCs 在打印及光交聯(lián)后存活率高；② 在軟骨誘導培養(yǎng)基中培養(yǎng) 4 周，打印結構保持高保真度，甲苯胺藍染色顯示 GAG 富集（強陽性），觀察到軟骨陷窩結構；③ GAG/DNA 含量***高于對照組（p<0.05），證明 hMSCs 成功分化為功能性軟骨組織，驗證了打印結構的功能可行性。

問題：OMA 生物墨水的雙重交聯(lián)機制（鈣交聯(lián) + 光交聯(lián)）分別發(fā)揮了什么作用？

答案：① 鈣交聯(lián)：通過鈣離子與 OMA 的 ionic 作用實現(xiàn)初始交聯(lián)，賦予墨水剪切變稀和自修復特性，確保打印過程中順利擠出且打印后快速穩(wěn)定，維持結構初步形態(tài)；② 光交聯(lián)：通過紫外光（20 mW/cm2，1 min）引發(fā)甲基丙烯酸酯基團聚合，形成共價交聯(lián)網絡，增強結構的長期力學穩(wěn)定性和降解抗性，支持干細胞長期培養(yǎng)和功能分化。兩者結合實現(xiàn)了打印便捷性與結構長效性的平衡。

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