从自然到创新：探索用于骨再生三维生物打印(3D Bioprinting)天然生物聚合物(Biopolymer)基生物墨水(Bioink)

《ACS Omega》：From Nature to Innovation: Exploring Natural Biopolymers in 3D Bioprinting for Bone Regeneration

　　

临界骨缺损(Critical Bone Defects, CBDs)是全球性健康挑战，亟需专业化医疗照护并对公共卫生系统造成显著经济负担。在此背景下，组织工程与再生医学(Tissue Engineering and Regenerative Medicine, TERM)领域致力于开发用于骨再生的生物材料。增材制造(Additive Manufacturing, AM)，即三维打印(3D Printing)，已成为制备革命性生物医学器件的新兴技术；其进阶形式——三维生物打印(3D Bioprinting)——利用生物墨水(Bioink，含细胞的富细胞水凝胶)和墨水(Ink，含或不含生物活性因子的水凝胶)制造支架、敷料、微针及血管等组织再生与合成器官移植用器件。生物聚合物因具备生物相容性、可生物降解性、低毒性和仿细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)能力，成为组织工程中开发生物材料及生物墨水的理想候选。本综述讨论了近期基于天然生物聚合物的骨再生三维生物打印生物墨水研究进展，重点阐述流变学性质、机械性能、生物学功能及化学修饰、纳米材料复合与智能体系等策略，并探讨血管化、结构稳定性、免疫应答及临床应用相关的挑战。

论文解读：从自然到创新——天然生物聚合物基生物墨水在骨再生三维生物打印中的研究进展

一、研究背景与立题依据

骨组织具有一定自愈能力，但临界骨缺损(Critical Size Bone Defect, CSBD，通常＞1–2 cm或累及＞50%骨周径)因局部血供受损及内源性修复机制失效而无法自愈，常致永久性功能障碍。全球每年新增约1.78亿例骨折病例，传统治疗手段包括自体骨移植(金标准)、同种异体骨及异种骨移植，均受限于供区并发症、免疫排斥、疾病传播及与宿主骨整合不良。组织工程与再生医学(TERM)结合三维生物打印(3D Bioprinting)技术可定制个性化仿生支架，模拟骨组织多级结构与生化微环境，克服传统移植物缺陷。生物墨水(Bioink)是三维生物打印的核心，天然生物聚合物（如海藻酸盐Alginate、胶原Collagen、壳聚糖Chitosan、明胶Gelatin、结冷胶Gellan Gum、黄芪胶Tragacanth Gum等）因具有类ECM结构、良好生物相容性及可修饰性受关注，但其固有缺陷——低力学强度、差打印保真度、缺乏固有成骨诱导性——限制了临床转化。研究人员通过文献综述梳理2015–2025年天然生物聚合物基生物墨水在骨再生中的应用、改性策略、免疫调节功能及现存挑战，旨在为下一代智能生物墨水设计提供理论依据。该论文发表于《ACS Omega》。

二、主要关键技术方法概述

研究人员采用系统性文献综述法，检索并分析2015–2025年间关于天然生物聚合物（多糖与蛋白类）基生物墨水用于骨组织工程三维生物打印的原始研究，归纳其材料组成、打印工艺（挤出式、光固化式Vat Photopolymerization/SLA/DLP、喷墨与激光辅助式）、交联方式（离子、热、酶、光引发、化学共价）、增强策略（陶瓷相如羟基磷灰石Hydroxyapatite, HA/纳米羟基磷灰石n-HA/缺钙羟基磷灰石Calcium-Deficient Hydroxyapatite, CDHA/β-磷酸三钙β-Tricalcium Phosphate, β-TCP、纳米硅酸盐Nanosilicate、氧化石墨烯Graphene Oxide, GO、金属有机框架Metal–Organic Framework, MOF等）、生物功能化（RGD肽、骨形态发生蛋白Bone Morphogenetic Protein, BMP、血管内皮生长因子Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF、间充质干细胞Mesenchymal Stem Cell, MSC外泌体、免疫调节因子）及体外/体内成骨、血管化、免疫极化评价结果，对比不同生物聚合物优劣势并提炼未来方向。

三、研究结果（按原文小节归纳）

1. Introduction（引言）

骨组织由皮质骨与松质骨构成，矿化主要依赖I型胶原与羟基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，含BMSCs、成骨细胞、破骨细胞等。临界骨缺损治疗难点在于需同时满足"骨再生菱形概念"——成骨细胞、成骨传导支架、生长因子、力学稳定及血管化。三维生物打印分无支架(Scaffold-free)与有支架(Scaffold-based)两类；生物墨水需具快速溶胶–凝胶转变、适宜流变性(剪切变稀Shear-thinning、屈服应力Yield Stress、粘弹性恢复)及可通过物理(温度/pH/离子)或化学(戊二醛Glutaraldehyde/京尼平Genipin/紫外光+光引发剂)交联保持稳定。天然生物聚合物利于细胞黏附分化，合成聚合物(PCL/PEG/PLA)可控降解与力学，二者复合可互补。

2. 3D Bioprinting as an Innovative Tool in Bone Regeneration（三维生物打印作为骨再生创新工具）

—3.1 Bioprinting Techniques（生物打印技术）：挤出式(Extrusion-based)最常用，兼容高低粘度生物墨水及细胞，可用气动/活塞/螺杆挤出，需关注喷嘴剪切致细胞凋亡及陶瓷颗粒堵塞；光固化(Vat Photopolymerization，SLA/DLP)分辨率高(10–100 μm)可制复杂多孔仿骨结构，但紫外光损伤细胞，需选低毒光引发剂如Irgacure 2959(I-2959)或苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦酸锂Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate(LAP)；喷墨(Inkjet)限低粘度，激光辅助(Laser-Assisted Bioprinting/LAB，LIFT)无喷嘴高细胞活性但设备复杂。

—3.2 Biomaterial Scaffolds for Bone Tissue Engineering（骨组织工程生物材料支架）：理想生物墨水需生物/细胞相容、匹配骨压缩模量、可控降解(与新骨形成同步)、具合适孔隙率(50–80%)、孔径(＞300 μm促血管/骨长入，最小～100 μm)、孔连通性及表面拓扑结构调控细胞行为；可复合生物活性玻璃、HA、硅酸盐水泥增强成骨性。

—3.3 Biological and Immunological Aspects of Biopolymaterial Bioinks（生物聚合物生物墨水的生物学与免疫学特征）：植入物引发异物反应，巨噬细胞M1型(促炎TNF-α/IL-1β/IL-6)向M2型(修复IL-10/TGF-β/VEGF)时序转换关乎再生成败。海藻酸盐较生物惰性但杂质/内毒素可致炎症；壳聚糖阳离子可经TLR激活初期M1反应，适度有益清创但过度致慢性炎；胶原含RGD序列促M2极化但异源污染/交联可改免疫原性。复合体系有望协调时序免疫调控。

4. Biopolymers for 3D Bioprinting: Classification, Structure, and Chemical Modification（用于三维生物打印的生物聚合物：分类、结构与化学修饰）

天然生物聚合物分多糖(Alginate/Chitosan/Gellan Gum等)与蛋白(Collagen/Silk/Fibrinogen等)，具线性/支链糖苷键/肽键大分子，可物理(温/pH/离子)或化学(甲基丙烯酰化Methacrylation/氧化Oxidation/接枝RGD/BMP模拟肽)改性改善打印性与生物活性，可形成互穿网络Interpenetrating Network(IPN)或双网络(Double-network)水凝胶增强力学性能。

5. Biopolymeric Bioinks（生物聚合物基生物墨水）

—5.1 Physicochemical, Rheological, and Processing Parameters（理化、流变与加工参数）：水凝胶需具剪切变稀、合适储能模量G'、损耗模量G''、快速溶胶–凝胶转变及可调交联(离子Ca²⁺/Ba²⁺/Mg²⁺或共价戊二醛/碳二亚胺EDC/NHS)。聚合物浓度↑提高打印性但可能阻碍营养扩散；过软则失结构稳定。

6. Recent Advances in Biopolymer-Based Bioinks for Bone Regeneration（天然生物聚合物基生物墨水在骨再生中的最新进展）

—6.1 Mechanical and Rheological Enhancement Strategies（力学与流变增强策略）：Alginate复合n-HA/CDHA提升刚度与成骨性；复配明胶(Gelatin)改善细胞黏附，复配聚乙烯醇Poly(vinyl alcohol)(PVA)调流变；鱼鳞微粒(Fish Scale, FS)加入氧化海藻酸–明胶(Alginate Dialdehyde-Gelatin, ADA-GEL)提压缩模量与成骨分化。

—6.2 Structural and Multimaterial Approaches（结构与多材料策略）：PCL框架+藻酸/β-TCP水凝胶核壳(Core–Shell)或分区(Multicompartment)结构分担载荷与生物功能，但存界面分层与降解不匹配问题。

—6.3 Nanomaterial-Enabled Bioinks（纳米材料增强生物墨水）：纳米硅酸盐(Nanosilicate)增强流变与促成骨不需外源因子；Laponite载VEGF缓释促血管化；氧化石墨烯Graphene Oxide(GO)–结冷胶(Gellan Gum)复合适中力学与姜黄素(Curcumin)控释，但碳基纳米材料长期生物安全性待考。

—6.4 Multifunctional and Therapeutic Bioinks（多功能与治疗性生物墨水）：负载Atsttrin(抗TNF-α)的海藻酸/n-HA支架持续释药抑炎促骨；藻酸/结冷胶(Alginate/Gellan Gum, AlgGG)加载VEGF的双相钙磷水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)促血管；负载去铁胺Deferoxamine(DFO)的GelMA/GGMA通过HIF-1α通路协同血管化–成骨；脱细胞细胞外基质Decellularized Extracellular Matrix(dECM)/明胶/季铵化壳聚糖Quaternized Chitosan(QCS)/n-HAp复合外泌体(Exosome)促血管与抗菌。

—6.5 Biomimetic and Vascularized Constructs（仿生与血管化构建体）：四同轴挤出仿骨单元(Osteon-like)含Haversian通道+VEGF释放层；双生物墨水共打印GelMA+BMSCs与温控含内皮细胞墨水促血管–成骨偶联；无细胞载CaO₂@ZIF-8羧甲基纤维素Carboxymethyl Cellulose(CMC)供氧缓解缺氧促内源性血管化；富血小板血浆Platelet-Rich Plasma(PRP)+Laponite+GelMA/甲基丙烯酸海藻酸Alginate Methacrylate(AlgMA)+PCL杂化支架促M2极化。

—6.6 Smart and Immunomodulatory Bioinks（智能与免疫调节生物墨水）：海藻酸/甲基纤维素加富血小板纤维蛋白Platelet-Rich Fibrin(PRF)/可注射PRF(i-PRF)间接释生长因子；藻酸/明胶/胶原/dECM+聚多巴胺Polydopamine(PDA)纳米粒+M2巨噬细胞来源外泌体主动诱导M2极化；多巴胺改性藻酸/明胶+银包被四氧化三铁(Ag-decorated Fe₃O₄Nanoparticles, Ag-pIO)具抗氧化、促线粒体转移助成骨；GelMA+Sr取代Xonotlite(Sr-CSH) nanowires及GelMA@LUT@ZIF-8(木犀草素Luteolin+Zn²⁺)均促M2与抗菌；双层PCL–Gelatin/Alginate含DSS6肽靶向载BMP-2脂质体纳米粒延长局部释药减异位骨化。

文中表2对比各常用生物聚合物：Alginate打印性优但力学/生物活性弱；Alginate+Gelatin改善细胞黏附；Alg衍生物(ADA/Alg-DA)允Schiff碱交联具免疫调节潜力；Gellan Gum保形性好但需添加剂赋予生物活性；GelMA(Methacrylated Gelatin)细胞亲和性极佳但力学差需补强；dECM高度仿生但打印性差批次变异大；壳聚糖衍生物抗菌免疫调节但溶差打印难；多组分杂化系统综合性能最优但复杂度高。

7. Challenges and Future Perspectives（挑战与展望）

主要挑战含：打印中细胞存活(剪切/UV/压力)、降解与新骨形成速率匹配、天然材料批间差异、灭菌(γ射线/环氧乙烷/EtO/过滤冻干)改变流变、化学交联剂细胞毒性→倾向天然交联剂(京尼平/柠檬酸)、监管审批障碍(FDA仅批准Infuse?(rhBMP-2/胶原海绵)与Euflexxa?(透明质酸钠)，无合成水凝胶骨再生产品上市)。未来方向含4D打印(刺激响应动态形变)、5D/6D打印(五轴运动+时空适应)、智能生物墨水(微环境pH/酶/缺氧触发释药、免疫重编程)、标准化表征及大动物验证。

四、结论（翻译浓缩）

文献表明天然生物聚合物特别是海藻酸盐广泛用于骨再生生物墨水配方，近期研究通过引入纳米复合材料、细胞、生物活性化合物及优化打印参数以实现可打印细丝、适宜孔结构支架及可控细胞释放与生物降解。本综述强调探索其他天然生物聚合物及生物聚合物–生物材料复合配方在骨与其他组织再生生物墨水中的潜力。

（全文完）