綠色又安全,，3D打印膠原水凝膠：從材料設計、打印方式到應用

來源： EFL生物3D打印與生物制造

近年來,，3D打印技術在生物醫(yī)學領域的應用迅速發(fā)展,，尤其是在組織工程和再生醫(yī)學中展現出了巨大的潛力。其中,，膠原水凝膠因其獨特的材料特性和優(yōu)異的生物相容性,，成為了研究的熱點。膠原作為一種人體內天然存在的結構蛋白,，具有保留三螺旋結構的能力,，不僅提供了與天然組織相仿的細胞外基質環(huán)境，還在促進細胞黏附,、增殖和分化方面具有顯著優(yōu)勢,。相比于傳統(tǒng)的合成聚合物，膠原水凝膠因其天然來源,、可生物降解性和低免疫原性,，為3D生物打印在臨床應用中提供了一個綠色,、安全和高效的替代方案。

在實際應用中,，膠原水凝膠的設計與優(yōu)化需要針對不同的生物醫(yī)學需求進行調整,。通過化學修飾如甲基丙烯酸化（CMA）和物理交聯(lián)等方式，膠原水凝膠的機械性能,、打印穩(wěn)定性和生物活性得到了顯著提升,。這種材料不僅適用于常見的擠出式3D打印，還在數字光處理（DLP）等高精度打印技術中表現出色,。為了進一步提高材料的可打印性和功能性,，研究者們還引入了輔料如透明質酸、明膠等,，形成復合水凝膠系統(tǒng)，能夠更好地控制細胞行為和組織構建,。

3D打印膠原水凝膠因其材料設計靈活性,、打印方式多樣性以及優(yōu)異的生物相容性和功能性，在再生醫(yī)學和組織工程中展現了廣泛的應用潛力和臨床適用性,。通過不斷優(yōu)化材料特性和打印技術,，這種綠色、安全的生物墨水正逐步成為未來個性化醫(yī)療和組織再生的重要工具,。本期EFL為大家系統(tǒng)總結了10篇關于膠原水凝膠3D打印的創(chuàng)新應用和前沿研究,，探討其在不同生物醫(yī)學領域中的具體應用、挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展方向,。

文獻1：《Adv. Healthcare Mater.》在微凝膠浴中嵌入膠原蛋白的3D生物打印,，以控制水凝膠微觀結構和細胞擴散
材料設計：文獻中使用了兩種類型的膠原墨水來進行嵌入式3D生物打印：物理自組裝的膠原（PHYS）和通過生物正交點擊化學交聯(lián)的膠原（SPAAC）,。PHYS膠原通過在生理溫度下形成纖維自組裝成凝膠,，而SPAAC膠原則通過一種應變促進的疊氮-炔環(huán)加成反應（strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, SPAAC）進行共價交聯(lián)。此外,，文獻中還詳細描述了各種支撐浴的制備,，包括Pluronic F-127支撐浴、Carbopol支撐浴以及明膠微粒支撐浴,。   

打印方式：采用雙噴嘴3D生物打印系統(tǒng)進行嵌入式打印,。

材料應用：本文研究了在嵌入式3D生物打印中使用明膠微粒支撐浴進行打印的膠原水凝膠的應用，特別是在控制水凝膠微結構和細胞行為方面的應用,。研究表明,，通過選擇合適的支撐浴和交聯(lián)化學方法，可以在保持打印結構穩(wěn)定性的同時實現細胞的良好擴展,。此外,，具有大孔隙結構的SPAAC膠原水凝膠可以顯著提高角膜基質干細胞（MSCs）的擴展能力,，這對于組織工程應用具有潛在的優(yōu)勢。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202303325

文獻2：《Adv. Healthcare Mater.》利用低濃度膠原蛋白為基礎的生物墨水進行乳腺腫瘤細胞和類器官的嵌入生物打印
材料設計：使用了一種基于低濃度I型膠原的生物墨水,，并與熱響應的透明質酸（HA）基聚合物組合,，稱為膠原-HA-pNIPAM (CH) 生物墨水。該生物墨水被優(yōu)化用于嵌入式3D生物打印,，適用于乳腺癌細胞和癌癥相關成纖維細胞（CAFs）,。研究還使用生物相容且物理交聯(lián)的絲蛋白水凝膠作為支撐浴，用于嵌入式3D打印,，以支持低粘度膠原生物墨水的打印,。

打印方式：使用嵌入式3D生物打印技術在絲蛋白水凝膠支撐浴中進行打印。

材料應用：本研究中的材料應用于嵌入式3D打印乳腺癌腫瘤模型和血管化腫瘤模型,，以模擬體內腫瘤形態(tài)和微環(huán)境特征,。研究結果表明，使用CH生物墨水的打印模型能夠更好地保持癌細胞和基質細胞的空間組織和表型,，類似于體內腫瘤組織,。這種方法為未來的藥物發(fā)現研究提供了技術優(yōu)勢，并在乳腺癌細胞生物學和藥物篩選研究中展示了潛力,。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300905

文獻3：《Adv. Healthcare Mater.》在檸檬酸鹽調制結冷膠微凝膠浴中增強分辨率的膠原蛋白支架3D打印
材料設計：設計了一種新型的支撐浴,，使用改良的結冷膠（Gellan Gum, GG）微凝膠浴來實現高分辨率的3D打印。通過引入檸檬酸三鈉（TSC）到GG微凝膠浴中,，抑制了微凝膠的聚集,，形成了均勻的浴形態(tài)，并通過TSC的脫水效應抑制了膠原墨水在浴中的擴散,。這種設計有效地提高了打印的分辨率,。

打印方式：采用BIO-X生物打印機，在GG微凝膠浴中進行嵌入式打印,。

材料應用：該研究的材料應用于打印各種復雜的3D生物結構,，如手、耳朵和人類心臟模型,。通過調節(jié)GG微凝膠浴的粒徑和分散性,，打印出的膠原模型能夠精確再現復雜的解剖結構，并顯示出良好的生物相容性,。這些打印結構在與人體誘導的多能干細胞來源的心肌細胞（HiPS-CM）共培養(yǎng)后,，顯示出周期性跳動行為，表明其在組織工程和醫(yī)學應用中具有潛力,。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202301090

文獻4：《Adv. Healthcare Mater.》基于膠原蛋白的低粘度復合材料的神經血管組織3D生物打印模型
材料設計：設計了一種低粘度的海藻酸鈉/膠原復合生物墨水用于神經血管組織的3D打印,。生物墨水由海藻酸鈉和膠原組成，通過在打印過程中使用CaCl2進行瞬時交聯(lián),，以增強其粘彈性和穩(wěn)定性,；在培養(yǎng)階段,，通過添加海藻酸裂解酶（alginate lyase）裂解海藻酸部分，降低水凝膠的剛度,，增加孔隙度,，為細胞提供類似于腦基質的微環(huán)境。這種設計能夠動態(tài)調節(jié)材料的機械性能和微結構,，適應神經血管單元（NVU）模型的構建需求,。   

打印方式：結合嵌入式3D打印和熱鑄工藝構建神經血管單元（NVU）模型。

材料應用：該研究中的材料應用于神經血管單元（NVU）模型的3D打印和體外仿生結構構建,。結果顯示,，使用這種低粘度的生物墨水能夠打印出具有多層同軸結構的神經血管模型，其中內皮細胞表現出緊密連接蛋白的表達和選擇性通透性,，神經膠質細胞則在外層分支擴展并與內皮細胞直接相互作用,。這種仿生模型為進一步研究NVU功能、神經藥物篩選及腦疾病模型構建提供了新的思路和方法,。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300004

文獻5：《Biofabrication》生物打印光交聯(lián)中性溶解膠原蛋白,，構建細胞取向可編程的可植入結締組織
材料設計：該研究設計了一種基于光交聯(lián)的中性溶解膠原（NorCol）的生物墨水，用于打印具有細胞可編程取向的可植入結締組織,。NorCol通過將酸溶性膠原與5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐反應合成，保留了完整的膠原分子結構,，具有出色的剪切變稀和自愈性能,。通過調整打印過程中自由硫醇基的數量和原位輻照強度，實現支撐材料與細胞負載水凝膠之間的穩(wěn)定粘附界面,，從而構建幾何結構引導和模量無關的各向異性機械環(huán)境,，促進細胞取向。   

打印方式：采用SLA Bioprinter Pro生物打印機進行擠出式3D打印,，并通過紫外光交聯(lián),。

材料應用：該研究的材料應用于可植入結締組織的3D打印，能夠構建具有細胞取向的復雜組織結構,。NorCol生物墨水通過調節(jié)不同濃度的NorCol和控制光交聯(lián)過程,，成功打印出具有高機械強度和細胞生物相容性的支架結構，并在體外培養(yǎng)中顯示出良好的細胞增殖和分化性能,。這種生物墨水系統(tǒng)為組織工程和再生醫(yī)學中的結締組織重建提供了新的方法和潛力,。

文章來源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/acc760

文獻6：《ACS Materials Lett.》雙光子3D打印可控微凝膠通道研究乳腺癌細胞遷移（2023.11.13）
材料設計：本研究設計了一種基于超支化聚乙二醇（PEG）高分子的新型光敏聚合物，用于在微流控芯片中創(chuàng)建可調控的水凝膠微結構,。該聚合物在兩光子激發(fā)下通過環(huán)加成交聯(lián)形成穩(wěn)定的水凝膠微結構,。通過這種“水凝膠-水凝膠”打印策略，可以在三通道微流控芯片中的膠原基質內打印具有可控幾何形狀和力學性能的水凝膠微結構,。

打印方式：通過雙光子共聚焦顯微鏡在預固化的膠原基質中進行打印,。

材料應用：該研究中的材料應用于在微流控芯片中創(chuàng)建可調控的水凝膠限制微環(huán)境,，以研究癌細胞在不同機械應力條件下的遷移行為。結果表明,，MDA-MB-231乳腺癌細胞在剛性更強的水凝膠限制環(huán)境中顯示出更快的遷移速度,，并伴隨YAP的核轉位和活化。該平臺為研究細胞在受限微環(huán)境中的遷移機制及其在腫瘤轉移中的潛在應用提供了一種強大的工具,。

文章來源：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00853   

文獻7：《Biofabrication》一種用于關節(jié)軟骨缺損修復的可注射和3D打印的促軟骨透明質酸和膠原II型復合水凝膠（2023.10.27）
材料設計：本研究設計了一種關節(jié)軟骨基質啟發(fā)的促軟骨生成水凝膠,，由甲基丙烯酸化透明質酸（MeHA）和不同類型的膠原（I型膠原Col I和II型膠原Col II）復合而成。MeHA的引入改善了水凝膠的機械性能,，并能夠通過光交聯(lián)形成穩(wěn)定的水凝膠網絡,。研究開發(fā)了三種配方：MeHA-Col I、MeHA-Col I/Col II復合水凝膠和MeHA-Col II水凝膠,。Col I的加入旨在增強水凝膠的機械穩(wěn)定性,，而Col II的加入則增強了軟骨細胞的生成潛力。

打印方式：采用FRESH（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）方法在熱可逆明膠支撐浴中進行3D打印,。

材料應用：該研究開發(fā)的MeHA和膠原基水凝膠用于關節(jié)軟骨缺損的修復,，能夠通過微創(chuàng)的關節(jié)鏡注射或3D打印個性化再生支架進行治療。MeHA-Col II水凝膠由于其較高的軟骨基質生成能力,，被認為適用于注射應用,，而MeHA-Col I/Col II水凝膠由于其較高的機械穩(wěn)定性和良好的3D打印性能，被認為適用于打印個性化再生支架,。研究表明,，這些水凝膠能夠有效促進MSCs的軟骨分化和特定軟骨基質的沉積，為軟骨再生醫(yī)學中的應用提供了新的解決方案,。

文章來源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad047a

文獻8：《Biomacromolecules》基于物種的差異對甲基丙烯酸酯化膠原水凝膠的力學性能,、細胞相容性和打印性的影響（2022.11.23）
材料設計：該研究設計了基于甲基丙烯酸化膠原（CMA）的光敏水凝膠，用于細胞負載和3D生物打印,。通過對牛,、人體和大鼠三種不同來源的膠原進行甲基丙烯酸化處理，制備了CMA水凝膠,。研究評估了不同來源的膠原,、不同提取方法（酸提取與胃蛋白酶消化）以及不同光引發(fā)劑（Irgacure-2959和LAP）對CMA水凝膠的機械性能、細胞相容性和打印適應性的影響,。

打印方式：使用FRESH方法在明膠支撐浴中打印CMA水凝膠,。

材料應用：該研究開發(fā)的CMA水凝膠被應用于3D生物打印，特別是在打印復雜的組織結構和用于組織工程的支架方面表現出優(yōu)異的性能,。研究結果顯示,，源自人類膠原的CMA具有最佳的打印保真度，適合作為生物墨水用于打印復雜的組織工程結構,。

文章來源：https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00985

文獻9：《Materials Today Bio》功能化仿生礦化膠原促進3D打印鈦合金微孔界面骨整合（2023.12.05）
材料設計：該研究設計了一種功能化的仿生礦化膠原（FMC）材料,，其中加入了海藻酸鈉（SA）和血管內皮生長因子（VEGF）,。FMC材料不僅具有良好的機械強度，還能夠持續(xù)釋放生長因子以促進骨和血管的再生,。通過將FMC材料填充到3D打印的鈦合金支架的微孔中,，形成一種新的有機-無機生物活性界面。隨著FMC的持續(xù)降解,，周圍環(huán)境中的骨髓間充質干細胞（BMSCs）和血管內皮細胞（VECs）被吸引到支架表面,，促進骨和血管的再生。   

打印方式：電子束熔化系統(tǒng)打印鈦合金支架后填充FMC水凝膠,。

材料應用：該研究的材料應用于促進3D打印鈦合金支架與骨組織的整合,。研究結果表明，功能化礦化膠原（FMC）與鈦合金支架的結合（sTi/VEGF）能夠顯著促進骨和血管的再生,，從而增強支架與骨組織界面的整合性,。體外和體內實驗均表明，sTi/VEGF能提高BMSCs的增殖和成骨分化能力,，誘導VECs聚集,，并增加成骨和血管相關基因的表達。植入兔子股骨缺損中后,，通過Micro CT和推擠實驗等方法驗證了其在促進骨整合中的效果,。

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100896

文獻10：《Materials Today Bio》與甲基丙烯酸明膠（GelMA）相比，光固化膠原基細胞負載生物墨水在數字光處理（DLP）和擠出生物打印中的優(yōu)勢（2023.09.16）
材料設計：本研究設計了一種改良的甲基丙烯酸化膠原（CMA）光固化生物墨水,，利用來源于豬皮的I型膠原,，通過在低溫（4℃）和酸性條件（pH < 7.0）下進行甲基丙烯酸化處理，以提高其生物相容性和打印性能,。CMA生物墨水具有良好的光固化特性，可與Schwann細胞（SCs）和骨髓間充質干細胞（BMSCs）相結合,，適用于數字光處理（DLP）和擠出式生物打印,。與傳統(tǒng)的甲基丙烯酸化明膠（GelMA）相比，CMA保留了膠原特有的三螺旋分子結構,，促進細胞與基質之間的信號傳遞和相互作用,。   

打印方式：采用DLP和擠出式3D打印結合UV光源打印。

材料應用：該研究的材料應用包括開發(fā)適用于DLP和擠出式3D生物打印的膠原基生物墨水,，特別是在構建具有嵌入細胞的三維組織工程支架方面具有應用潛力,。研究表明，與傳統(tǒng)的GelMA相比,，使用CMA生物墨水在DLP打印中具有更高的結構保真度和更光滑的表面,，同時在細胞增殖、形態(tài)學和基因表達方面表現出更優(yōu)異的生物學性能,。這種改良的CMA生物墨水為未來的細胞負載3D生物打印提供了新的方向,，特別是在神經組織再生和骨組織工程中的應用,。

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100799