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院傅強教授與張楷樂醫師系統綜述了水凝膠生物墨水的優化策略，提出通過化學修飾、納米復合等手段開發高性能水凝膠，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”為題發表于International Journal of Bioprinting（JCR Q1，IF：6.8）。
 

1. 水凝膠生物墨水的分類與優化
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。
 

2.納米復合水凝膠的創新應用
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）。
 

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境方面仍面臨挑戰。未來，開發新型水凝膠生物墨水并優化打印參數，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，必將助力醫療技術邁向新高度，為個性化醫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“醫工交叉基金”（YG2022ZD020）等資助。

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

(責任編輯：admin)

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