《Biomimetics》：Bioinspired 3D Printing of Lignocellulose-Based Multimaterial Composites for Extracellular Matrix-Mimicking Architectures
细胞外基质（ECM）提供了一个动态微环境，调节伤口愈合过程中的细胞增殖、迁移和组织重塑。然而，用传统的单一材料水凝胶复制天然皮肤ECM的结构和功能复杂性及ECM异质性仍具挑战性。多材料3D生物打印的最新进展使得在单一构建体中实现多种生物材料的空间整合成为可能。木质纤维素因其纤维结构、机械强度和生物相容性，作为一种有前景的生物材料，在重建天然ECM的关键结构特征方面日益受到关注。本综述提供了一个全面且综合的视角，探讨利用基于木质纤维素的多种材料打印来重塑ECM模拟结构，这是生物材料与生物制造交叉领域中一个尚未充分探索的领域。研究人员讨论了纤维素、半纤维素和木质素在可打印性、支架稳定性、孔隙率、生物活性和伤口愈合性能中的作用。代表性研究表明，基于木质纤维素的多种材料生物墨水提供了多孔结构，支持细胞黏附、增殖和组织再生。这些优势伴随着机械性能的提升，因为纤维素纳米纤维的弹性模量超过100 GPa，而含木质素的水凝胶压缩模量可达135 kPa。这种机械优势使得木质纤维素材料在制造需要长期结构完整性的ECM模拟支架方面特别有吸引力。最后，研究人员批判性地讨论了与基于木质纤维素的多种材料生物打印相关的关键设计考虑和当前局限性。研究人员提出了基于木质纤维素的多种材料生物墨水的合理设计框架，以及向梯度自适应支架、智能伤口敷料和先进伤口愈合应用的未来方向。
1. 引言
细胞外基质（ECM）提供了一个动态微环境，调节伤口愈合过程中的细胞增殖、迁移、分化和组织重塑。ECM的结构和功能是动态的，体现在纤维蛋白凝块形成、炎症反应调节和持续基质重塑等过程中。尽管静电纺丝纳米纤维和自组装肽水凝胶可以重现天然ECM的某些结构特征，但其复制ECM层级组织和多功能性的能力仍然有限。相比之下，3D生物打印能够制造具有可控结构和空间定义材料分布的构建体，从而更精确地再现组织特异性微环境。3D打印水凝胶已被广泛应用于多材料组织工程应用中。先前的研究展示了使用基于胶原蛋白的核心墨水和基于海藻酸钠（alginate）的壳层生物墨水制造用于组织工程的血管构建体。此外，结合透明质酸（hyaluronic acid, HA）和明胶（gelatin）的3D打印水凝胶支架表现出增强的止血和抗菌性能。整合了3D打印框架的壳聚糖（chitosan）基复合支架已被证明能模拟天然骨ECM的结构和黏弹性特性。此外，用天然生物材料增强的明胶基复合伤口敷料因其增强的机械性能和生物学功能而受到广泛关注。尽管有这些优势，许多天然聚合物基水凝胶的机械稳定性有限。例如，胶原蛋白和明胶通常机械强度不足，而丝素蛋白、壳聚糖和其他天然聚合物通常需要额外修饰以改善可打印性和支架稳定性。
为了克服这些限制，基于木质纤维素的多种材料水凝胶已成为增强仿生性能的一种有前景的方法。木质纤维素是一种由纤维素、半纤维素和木质素组成的生物聚合物材料。半纤维素是一种无定形多糖，具有优异的保水能力。纤维素通过氢键相互作用提供出色的机械强度，并形成纤维网络结构，而木质素则贡献抗菌活性。木质纤维素材料因其良好的机械性能、丰富的官能团化学特性和良好的生物相容性，已被广泛用于改性复合系统。此外，木质纤维素材料中固有的不溶性纤维素基纳米结构增强了低浓度下的可打印性和凝胶稳定性。此外，据报道，基于木质纤维素的复合水凝胶在长期培养过程中支持细胞黏附和增殖，同时保持结构完整性。此外，与基于胶原蛋白和海藻酸钠的水凝胶相比，木质纤维素材料可以提供更好的机械稳定性和更慢的降解。例如，单组分胶原蛋白支架在水合条件下通常表现出约92–390 kPa的杨氏模量（Young's modulus），而根据纤维素含量和加工策略，基于木质纤维素的支架据报道可表现出从几MPa到GPa范围的机械性能。然而，木质纤维素材料的优势伴随着一些挑战。虽然基于胶原蛋白、明胶和海藻酸钠的生物材料通常在数周到数月内降解，具体取决于组成和交联条件，但木质纤维素材料表现出更慢的降解。因此，其降解产物的长期命运和生物相容性需要进一步研究。这些特性使基于木质纤维素的材料适用于3D打印水凝胶平台。然而，其在3D打印多材料系统中模拟ECM复杂性的应用仍未充分探索。现有的综述主要将木质纤维素生物材料、水凝胶配方或生物打印技术作为独立主题进行讨论。然而，将木质纤维素材料整合到多材料3D打印策略中以重现ECM的结构和组成异质性仍 largely 未充分探索。本综述将天然ECM组分的生物学功能与纤维素、半纤维素和木质素的理化性质联系起来。它进一步探讨了如何利用多材料打印策略为组织工程创建ECM模拟结构。
2. 文献检索策略
本综述讨论的文献来自Web of Science、Scopus、PubMed和Google Scholar。检索使用了与木质纤维素生物材料、细胞外基质（ECM）模拟支架、伤口愈合、水凝胶和3D打印技术相关的术语。代表性关键词包括“lignocellulose”、“cellulose nanofiber”、“cellulose nanocrystal”、“lignin”、“hemicellulose”、“ECM”、“wound healing”、“hydrogel”和“3D bioprinting”。考虑了与基于木质纤维素材料和ECM模拟支架制造相关的原始研究文章和综述论文。更侧重近期研究，而早期出版物则在其提供重要背景信息或基础概念时被纳入。
3. 天然皮肤ECM与仿生设计
3.1. 天然皮肤ECM结构
真皮包含成纤维细胞、血管和淋巴网络、神经纤维以及复杂的细胞外基质（ECM）。ECM是一个由纤维蛋白、糖蛋白、蛋白聚糖和糖胺聚糖（glycosaminoglycans, GAGs）组成的复杂网络，共同为周围细胞和组织提供结构和生化支持。ECM通过生化信号调节细胞行为，支持免疫细胞募集和迁移，并在伤口愈合中发挥核心作用。这些特性促使了ECM衍生生物材料在3D皮肤生物打印中的应用。胶原蛋白和脱细胞ECM（dECM），以及胶原蛋白衍生的明胶，常被用于制造更接近天然组织的皮肤构建体。因此，ECM衍生材料如胶原蛋白、明胶、透明质酸和dECM已被广泛纳入用于制造组织模拟皮肤构建体的生物墨水中。木质纤维素材料具有类似天然ECM组分的结构和功能特征。天然ECM组分与木质纤维素材料之间的对应关系被总结。与胶原蛋白、明胶、透明质酸、海藻酸钠和dECM相比，木质纤维素材料通常提供更大的机械稳定性和结构支持。然而，它们的生物活性有限，因为它们缺乏固有的细胞结合基序和组织特异性生化线索。因此，木质纤维素材料可以改善机械性能，但通常需要与ECM衍生组分结合才能达到可比的生物学功能。因此，含有ECM衍生材料（包括胶原蛋白、明胶、透明质酸和dECM）的生物墨水已被广泛开发，以重现天然皮肤组织的结构和生物学特征。
3.1.1. 胶原蛋白（Collagen）
胶原蛋白组装成有序的层级结构，包括纤维结构（I、II和III型）和网络形成结构（IV型）。胶原蛋白是皮肤ECM中最丰富的结构蛋白，在调节伤口愈合过程中的细胞黏附、迁移和组织重塑中发挥核心作用。此外，胶原蛋白诱导血小板活化和聚集，导致损伤部位纤维蛋白形成。这些过程有助于组织修复过程中的新血管形成和上皮再生。由于其生物学和理化性质，胶原蛋白已被广泛用作组织工程中的组织修复支架和结构基质。基于胶原蛋白的生物材料可以部分重现天然真皮ECM的纤维结构。然而，胶原蛋白水凝胶通常表现出有限的机械稳定性和快速降解，需要与增强生物材料结合。胶原蛋白基伤口敷料和水凝胶经常与天然和合成聚合物结合，如透明质酸（HA）、壳聚糖和海藻酸钠。这些复合系统提高了结构耐久性，同时保留了胶原蛋白调节炎症反应、支持ECM重塑和促进伤口愈合过程中新ECM形成的能力。该策略解决了胶原蛋白基水凝胶的主要限制之一，即在生理条件下机械稳定性有限。
3.1.2. 弹性蛋白（Elastin）
弹性蛋白是一种耐久的蛋白质，形成真皮中弹性纤维的无定形核心，并具有疏水特性，能抵抗酸性和碱性环境。在原弹性蛋白（tropoelastin）酶促交联后，弹性蛋白形成有弹性的弹性纤维，在反复变形下保持组织弹性。这种机械功能在伤口愈合中尤为重要，弹性蛋白有助于真皮再生，并帮助限制过度的伤口收缩。弹性蛋白独特的弹性特性促使了复制其弹性和耐久性的生物材料的发展，特别是在用于组织再生的水凝胶和支架系统中。例如，功能化有细胞黏附肽或胶原蛋白的弹性蛋白样多肽（ELP）基生物墨水显示出良好的可打印性和机械性能。它们也支持细胞活力，突出了弹性蛋白衍生材料在ECM模拟支架设计中的适用性。Sánchez-Cid等人证明，将弹性蛋白掺入PCL支架中可增强润湿性、细胞活力和机械性能，支持弹性蛋白作为功能组分的潜力。
3.1.3. 糖胺聚糖（GAGs）
GAGs是一类存在于细胞外基质中的线性多糖，在维持组织水合和介导生物信号传导中发挥关键作用。其高密度的负电荷使其能够保水并促进与蛋白聚糖和其他生物分子的相互作用。因此，基于GAG的生物材料已被广泛研究用于组织工程应用，特别是在软骨、骨骼和伤口愈合系统中。特别是，透明质酸（HA）占皮肤中GAG的很大比例，在维持水分和弹性方面发挥重要作用。HA被广泛用于伤口敷料和水凝胶系统，因为它支持湿润的微环境并有助于调节炎症反应。此外，HA促进细胞迁移、增殖和血管生成，使其成为ECM模拟生物材料的有价值组分。HA的化学结构提供了多个用于功能化的反应位点，从而可以调节其理化和生物学特性。此外，HA经常与天然或合成聚合物结合到复合系统中，以增强支架完整性和生物制造性能，同时保持生物相容性。此外，HA因其有利的生物学特性，已被广泛纳入基于木质纤维素的多种材料3D打印系统中。
3.1.4. 纤连蛋白（Fibronectin, FN）
FN是一种主要的细胞外基质蛋白，形成纤维网络，并在伤口愈合过程中在细胞外基质成熟、细胞黏附和细胞迁移中发挥核心作用。组织损伤后，纤连蛋白有助于形成临时基质，为早期结构支持提供，并引导细胞浸润到伤口部位。纤连蛋白包含关键的细胞结合结构域，特别是Arg–Gly–Asp（RGD）和Pro–His–Ser–Arg–Asn（PHSRN）序列，在介导细胞黏附中发挥重要作用。RGD和PHSRN基序促进细胞黏附和组织再生，使其成为生物材料功能化的有吸引力的候选。这些肽基序已被广泛纳入生物墨水和支架材料中，以改善细胞-材料相互作用。
3.1.5. 脱细胞ECM（dECM）
脱细胞过程去除细胞成分，同时保留细胞外基质框架。去除这些细胞成分可降低免疫反应，同时保留ECM的结构框架和生化线索，从而保留原始基质的天然结构和组织特异性特征。例如，皮肤来源的dECM保留了与皮肤组织相关的基质蛋白和生长因子，而骨来源的dECM保留了成骨组分。因此，dECM提供了一个生物学相关的微环境，比许多传统生物材料更接近天然组织。由于这些特性，基于dECM的生物材料作为再生疗法的有前景候选者而受到越来越多的研究。dECM支架通常与天然或合成聚合物结合，以提高组织工程应用的机械强度。此外，据报道，用生长因子和纳米颗粒功能化dECM基支架可通过刺激组织修复中涉及的关键过程，包括血管生成、细胞增殖和基质重塑，来增强其再生能力。尽管有这些优势，dECM基支架的更广泛应用仍受限于批次间差异性。这些限制使标准化复杂化，并可能阻碍大规模临床转化。
4. 用于生物医学的基于木质纤维素的材料
木质纤维素是一种大量存在的植物生物质，是一种由纤维素、半纤维素和木质素组成的细胞壁复合聚合物材料。木质纤维素长期以来被广泛应用于能源生产和纤维素纤维制造等众多领域。然而，其相对较低的溶解度限制了其生物医学应用。这些限制可以通过物理和化学修饰来缓解，从而扩大其应用范围。此外，用RGD和PHSRN基序进行功能化可增强细胞黏附并改善基于木质纤维素的支架的仿生性能。此类修饰可补偿木质纤维素材料固有的有限生物活性，并促进更有效的细胞-材料相互作用。
4.1. 木质纤维素组分
4.1.1. 纤维素（Cellulose）
纤维素是最丰富的天然生物聚合物，由于其层级和多维结构，支持广泛的功能特性和应用潜力。纤维素具有从植物组织到植物细胞、大纤维、微纤维，最终到单个纤维素分子链的层级结构。纤维素独特的分子结构提供了高机械强度和水亲和力，有利于渗出液吸收和组织修复。纤维素也以多种形式使用，包括纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystals, CNCs）、纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers, CNFs）和细菌纤维素（bacterial cellulose, BC）。CNCs具有高度有序的晶体结构、优异的机械强度和大比表面积。CNF是一种纳米纤维素材料，由相互连接的纤维网络组成，弹性模量超过114 GPa，使其适用于增强复合材料。由于基于胶原蛋白的支架被广泛用于组织工程，但通常缺乏长期细胞培养所需的足够机械强度，CNF更高的弹性模量突出了其改善支架机械稳定性的潜力。BC由细菌细胞外生物合成，无需复杂的提取过程。基于纤维素的水凝胶可以显著增强ECM启发支架的机械性能，同时保持生物相容性和生物降解性，因此被广泛用于皮肤、骨骼和软骨组织工程。先前的一项研究开发了一种具有类似天然ECM纳米纤维结构的细菌纤维素（BC）支架。BC支架表现出光滑且互连的表面形态。OCT-4和Nestin的表达表明BC支架支持干细胞维持和分化。细菌纤维素的类似ECM的纳米纤维结构可能通过促进细胞黏附和细胞-材料相互作用而有助于这些细胞反应。这些发现表明，BC的纳米纤维结构不仅提供结构支持，还促进有利于细胞黏附、增殖和组织再生的微环境的建立。体内研究显示，BC支架处理的伤口在7天后表现出增强的愈合，表现为角质形成细胞形成增加和炎症细胞浸润减少。此外，巨噬细胞标志物的分析表明，BC支架影响了M1和M2巨噬细胞极化，突出了其调节伤口愈合微环境的潜力。这些发现表明，BC的治疗益处不仅归因于其机械支持，其纳米纤维结构还促进细胞-材料相互作用并调节巨噬细胞行为，有助于伤口愈合调控。
4.1.2. 半纤维素（Hemicellulose）
半纤维素是自然界中最丰富的生物聚合物之一，仅次于纤维素。半纤维素由结构多样的单糖和糖醛酸组成，如D-木糖、D-甘露糖和L-阿拉伯糖等。半纤维素含有丰富的羟基，导致高亲水性，这可能限制其实际应用。因此，需要化学改性和其他生物材料的增强来改善聚合物相容性、支架稳定性和基于半纤维素的生物材料的整体适用性。基于半纤维素的纳米聚集体已被纳入双网络复合水凝胶中，以改善机械性能、刺激响应性和持续药物释放。这些结果突出了半纤维素在增强机械性能和实现可控药物递送方面的潜力。然而，可能需要额外的生物活性组分来实现对伤口愈合过程的更主动调节。Li等人开发了一种基于半纤维素的KGM–GA水凝胶，由魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan, KGM）和没食子酸（gallic acid, GA）组成，用于调节伤口微环境。与对照组相比，KGM–GA水凝胶促进了巨噬细胞向M2样表型极化，表明其建立促再生微环境的潜力。此外，KGM–GA还表现出ROS清除活性，这可能有助于减轻与延迟伤口愈合相关的氧化应激。与这些效果一致，KGM–GA组显示出比对照组更强的再上皮化和肉芽组织形成。这些改善可能归因于KGM–GA的抗炎和抗氧化活性，而不仅仅是其作为结构支架的作用。
4.1.3. 木质素（Lignin）
木质素是一种具有天然支化结构的异质性聚合物，主要由三种基本单木酚醇单元组成：紫丁香基（syringyl, S）、愈创木基（guaiacyl, G）和对羟苯基（p-hydroxyphenyl, H）。木质素因其抗氧化活性、生物相容性和强紫外吸收特性，作为水凝胶基生物材料的功能组分而受到关注。木质素需要单独的提取和纯化过程才能用于工业。各种提取和加工方法已将木质素转化为适用于生物医学应用的功能形式。通过此过程获得的木质素可开发成各种形式，如纳米颗粒、纳米纤维和水凝胶，并应用于广泛的工业领域。已报道了一种具有可控缓释能力及增强抗氧化和抗菌活性的木质素基水凝胶。一项研究报告了一种磺化木质素基超分子水凝胶（PAA/ILs@L2）敷料，其表现出增强的自愈能力和生物活性，具有伤口愈合潜力。与对照配方相比，PAA/ILs@L2在压缩变形下保持了结构完整性，并表现出改善的机械性能，表明木质素有效增强了水凝胶网络。此外，PAA/ILs@L2显示出高效的自愈行为和抗菌活性。体内研究进一步证明了增强的伤口愈合和组织再生，包括改善的上皮化和皮肤附属器形成。这些发现突出了木质素在伤口愈合生物材料中提供结构增强和生物活性功能的潜力。这些特性支持了木质素在水凝胶基生物材料和伤口愈合应用中的日益增长的使用。然而，不同提取方法引起的变异性仍然是一个挑战。
5. 基于木质纤维素的多种材料复合材料的3D打印策略
3D打印被广泛用于制造具有良好定义和可调结构的水凝胶基构建体。通过调整孔径、丝间距和交联密度等关键参数，可以调节细胞行为，包括黏附、增殖和迁移。这些设计能力使得能够创建类似天然ECM微环境的多孔、网格或纤维模拟网络结构。多材料3D打印能够在单个构建体中整合两种或多种不同材料，从而形成具有空间变化组成的结构。梯度支架通过材料特性的空间变化模拟天然组织中发现的组成和结构转变。这些设计可以通过更紧密地复制生物组织的层级组织来改善组织整合和再生。例如，Zhang等人通过将超顺磁性羟基磷灰石纳米棒纳入可适应的GelMA/AcCD双网络水凝胶中，开发了一种用于骨软骨修复的多级梯度水凝胶。该支架在矿物质含量和机械性能上产生了连续梯度，从而模拟了从软骨到软骨下骨的过渡。使用浮力驱动梯度方法开发了一种羟基磷灰石（HAp）梯度PVA/细菌纤维素支架，以模拟天然骨组织的矿物质梯度。与均质支架相比，HAp的梯度分布增强了细胞黏附、增殖、成骨分化和生物相容性，突出了基于木质纤维素的梯度结构在重现组织异质性和支持位点特异性组织再生方面的潜力。除了静态梯度设计，自适应支架可以对局部微环境的变化做出动态响应，并在组织修复期间提供阶段特异性生物学线索。例如，已报道了动态促进仿生矿物质沉积的自适应纳米形貌，可产生类似ECM的微环境，增强成骨和组织再生。最近通过将纳米纤维素与刺激响应性聚合物结合，开发了自适应木质纤维素基支架。这些支架对pH、温度和离子条件的变化做出响应，展示了其动态调节细胞微环境的潜力。
然而，加工多种材料增加了制造复杂性，并可能损害界面相容性和结构稳定性。特别是，木质纤维素的异质性组成可能使其与合成聚合物的整合复杂化，导致相容性降低和界面黏附弱。为了缓解这些限制，已采用各种化学修饰策略和梯度打印方法来改善材料整合并减少界面不匹配。这些挑战突出了为基于木质纤维素的构建体选择合适的打印技术的重要性。尽管熔融沉积建模（fused deposition modeling, FDM）、直写成型（direct ink writing, DIW）、半固体挤出（semi-solid extrusion, SSE）、立体光刻（stereolithography, SLA）和数字光处理（digital light processing, DLP）都已被用于制造基于木质纤维素的支架，但每种技术都有其独特的优势和局限性。在这些技术中，FDM在制造机械坚固的构建体和大规模制造方面具有优势，而DIW和SSE更适合水凝胶基生物墨水和细胞相容性加工。SLA和DLP提供更高的分辨率和形状保真度，尽管其更广泛的应用仍受限于可光固化的木质纤维素基配方的可用性以及对光引发剂生物相容性的担忧。此外，工艺标准化、制造可重复性和监管批准仍然是临床转化的主要挑战。
5.1. 挤出式3D打印技术
在挤出式生物打印中，生物墨水的流变条件要求很高。需要适当的粘度来维持丝材连续性和打印保真度，而过高的粘度会增加挤出过程中的剪切应力，可能导致喷嘴堵塞。为了确保稳定的打印和形状保持，生物墨水通常配制成具有适当的黏弹性特性，如剪切变稀行为和足够的屈服应力。打印性能还受加工参数的影响，包括温度、喷嘴直径、挤出压力和打印速度，这些共同决定了丝材形成和结构保真度。交联在制造后维持打印构建体的几何形状中也起着重要作用。此外，应考虑打印后稳定性和降解行为，以在允许细胞生长和组织重塑的同时保持支架完整性。因此，精确控制这些参数对于重现类似ECM的微结构和维持多层构建体的结构完整性至关重要。FDM在ECM模拟木质纤维素支架制造中的应用仍然有限，因为该技术主要依赖于热塑性材料，这些材料通常与载细胞和水凝胶基生物墨水不相容。因此，本节主要关注DIW和SSE打印策略。
5.1.1. 直写成型（DIW）
DIW通过在受控压力下通过喷嘴挤出材料来制造结构，因其操作简单、成本效益高以及与多材料制造的兼容性而被广泛采用。DIW生物墨水在低剪切速率下的粘度通常在10
2–10
6 mPa·s数量级，尽管最佳范围随材料组成和打印条件而变化。根据材料系统和加工条件，DIW可以生成分辨率从数百微米到亚毫米尺度的结构。DIW对于多材料制造尤其有吸引力，因为可以使用多个打印头在预定义位置沉积不同的生物墨水。Radeke等人通过部分羧甲基化纤维素纤维，开发了透明的纤维素纳米纤维（cNFC）生物墨水用于挤出式3D打印。当与明胶结合时，对齐的cNFC纤维引导肌管沿着打印方向取向，从而能够制造模拟天然ECM结构组织的各向异性肌肉组织。DIW也被用于生成骨模拟结构。Li等人通过制造具有可控多孔结构和生物相容性的BG/纤维素复合结构，开发了用于骨组织工程的ECM模拟支架。BG/纤维素复合结构表现出互连的多孔结构和粗糙的表面形态，模拟了天然骨ECM的层级特征，从而促进羟基磷灰石形成以及细胞黏附和增殖。还报道了基于DIW的纤维素支架，能够支持ECM沉积和血管生成活性。打印的构建体支持长期成纤维细胞表型维持并增强了ECM蛋白的沉积。血管生成因子的持续分泌进一步突出了其重现类似ECM微环境的潜力。总的来说，这些研究表明DIW能够制造具有可控结构、各向异性组织和生物活性微环境的基于木质纤维素的支架，支持组织再生。
5.1.2. 半固体挤出（SSE）
SSE是一种挤出式增材制造技术，其中凝胶状或糊状材料以逐层方式沉积以构建三维结构。与FDM相比，SSE在相对较低的加工温度下运行，使其非常适合制造含有活细胞的构建体以及将聚合物与治疗剂结合。Juan等人使用SSE 3D打印开发了包含姜黄素、木质素和D-泛醇的多功能PCL基伤口敷料。这些构建体表现出持续的药物释放、抗氧化和抗菌活性以及有利于细胞生长的多孔结构，这些共同促进了体内伤口愈合。基于纤维素的水凝胶支持长期细胞活性的能力也已被研究。该体系表明，材料组成和交联条件可以调节长期培养中的成纤维细胞表型、ECM沉积和血管生成生长因子分泌。通过结合水凝胶和纤维组分，也实现了更复杂的ECM启发结构。该支架提供了抗菌活性、高吸水能力和良好的成纤维细胞相容性，同时维持有利于伤口愈合的湿润环境。这些例子突出了基于木质纤维素的材料在支持开发更接近天然ECM结构和功能特征的支架方面的潜力。
5.2. 槽式光聚合
SLA和DLP利用光聚合作用，通过受控光照射选择性固化光敏树脂。SLA使用聚焦激光固化光固化树脂，能够在保持高打印分辨率的同时实现精确图案化。尽管SLA可以制造光固化水凝胶结构，但光散射和有限的树脂相容性限制了其更广泛的应用。相比之下，DLP能够实现更均匀和高效的逐层固化，使其成为构建木质纤维素衍生水凝胶支架的更适合方法；因此，本节主要关注基于DLP的策略。
数字光处理（DLP）
DLP是一种通过投影光图案固化液体树脂的3D打印技术。DLP能够制造具有高分辨率和精确几何控制的水凝胶结构。Silva等人开发了一种全纤维素光固化树脂用于DLP打印，并生产出保持形状且具有良好机械性能的水凝胶。DLP打印中的多材料制造是通过更换液体树脂环境实现的，通常通过槽交换或树脂交换方法。这些方法能够在单个构建体中整合具有不同特性的材料。例如，Chand等人使用LumenX+ DLP打印机（CELLINK，哥德堡，瑞典）通过双交联GelMA/OxiCMC互穿网络水凝胶开发了仿生角膜基质等价物。打印的构建体再现了天然角膜的弯曲几何形状，并表现出互连的多孔结构。水凝胶还显示出高光学透明度，并支持角膜细胞活力和增殖。Ganguly等人开发了ECM启发的GelMA/CNCs水凝胶支架（CelMA），通过DLP 3D打印制造，能够在受控脉动压力刺激（PPS）下调节干细胞行为并促进成骨分化。含有CNCs的CelMA支架表现出支持细胞浸润和生长的多孔结构。将PPS系统应用于载细胞水凝胶以提供受控的机械刺激。在这些条件下，CelMA支架增强了成骨分化，展示了其在骨组织工程中的潜力。CNC支架与脉动机械刺激的结合似乎有助于增强的成骨反应，表明支架组成和生物力学线索都影响细胞行为。Wang等人采用基于DLP的光聚合制造了木质纤维素衍生水凝胶（GGMMA/LNP@Ag），其通过水合网络和多孔结构表现出ECM模拟特性。该树脂被制造成定义良好的多孔结构，包括蜂窝和晶格结构，模拟了天然ECM的关键结构特征。此外，来自木质素基纳米复合材料的可控银离子释放提供了抗菌活性，突出了其在伤口愈合应用中的潜力。结果表明，木质纤维素基纳米复合材料可以支持支架制造，同时提供抗菌功能，这可能对伤口愈合应用有利。
6. 木质纤维素材料的长期生物活性
6.1. 细胞-材料相互作用
木质纤维素生物材料与周围细胞之间的相互作用在决定其长期生物活性和再生性能中起着关键作用。细胞-材料相互作用影响细胞黏附、迁移、增殖、血管生成和ECM重塑，这些共同促进组织再生和伤口愈合。3D打印的功能化纤维素支架增强了糖尿病伤口模型中的干细胞迁移、血管生成和再上皮化，这些是有效伤口修复的关键过程。在其他木质纤维素衍生系统中也报道了类似的发现。例如，一种含有茶多酚（TPs）的木质纤维素纸敷料对人表皮角质形成细胞（HaCaT）、正常人真皮成纤维细胞（NHDF）和CCD-1095SK细胞表现出优异的细胞相容性。体内研究进一步证明，有利的细胞-材料相互作用有助于增强组织再生。同样，一种3D打印的羧甲基纤维素（CMC）/ε-聚赖氨酸水凝胶在培养期间维持成纤维细胞活力高于98%并增强了细胞增殖。体内研究进一步证明，该水凝胶促进了肉芽组织形成、胶原蛋白沉积、血管生成和ECM重塑，从而增强了整体伤口愈合。这些观察表明，木质纤维素材料可以为细胞活动和组织重建提供有利的微环境。值得注意的是，在不同的木质纤维素基平台中反复观察到炎症细胞浸润减少、血管化增加和胶原蛋白沉积增强。此类反应可能有助于伤口愈合从炎症期向增殖期和重塑期的转变。尽管有这些有希望的发现，当前证据 largely 源自短期体外研究和小动物伤口模型。因此，仍然难以确定观察到的细胞反应是否能在长期植入期间维持或转化为临床相关结果。未来研究应旨在阐明细胞-材料相互作用的分子基础，同时建立用于长期组织整合、生物安全性和再生性能的标准化评估策略。
6.2. 生物降解
生物降解是生物材料长期性能的关键因素。过快的降解可能损害机械完整性，而缓慢的降解可能导致材料长期滞留和不可预测的生物学反应。半纤维素由于其无定形结构，通常更容易发生生物降解。纤维素也是可生物降解的。然而，其部分结晶的组织通常导致比半纤维素更慢的降解速率。相比之下，木质素的芳香结构使其比其他木质纤维素组分更难降解。尽管这可能提高支架稳定性，但也使长期降解行为和植入后的生物学命运的预测复杂化。几项研究已证明含木质素生物材料在体内具有良好的生物相容性，无明显毒性迹象。然而，这些研究主要关注中短期植入和组织再生结果，关于木质素衍生降解产物的命运及其长期生物学效应的信息仍然有限。因此，需要进一步研究来阐明木质素基生物材料的降解机制，鉴定其降解产物，并评估其生物分布和清除途径。此外，由于材料组成和评估方案的不同，降解行为的直接定量比较仍然具有挑战性。需要标准化的评估方法来建立可靠的降解基准。此类研究对于评估含木质素生物材料的长期安全性和临床适用性非常重要。
6.3. 免疫原性
生物材料的免疫原性是影响其长期安全性和临床性能的重要因素。当前证据表明，纤维素基纳米材料表现出相对较低的急性免疫毒性。尽管CNF在肺组织中的长期滞留及其诱发轻度炎症反应的潜力值得进一步研究，但大多数研究报告了巨噬细胞的有限细胞毒性和最小的全身免疫激活。酰胺功能化的CNCs（a-CNCs）在体内未检测到全身炎症或适应性免疫反应，并促进了M2巨噬细胞极化，表明具有良好的免疫相容性。值得注意的是，巨噬细胞活力保持在95%以上，而CD206和IL-10表达增加了15倍以上，血清IgG水平或CD4
+/CD8
+T细胞比率无显著变化。类似地，对木质素基材料的免疫反应高度依赖于其理化性质和表面功能化。例如，肽功能化的木质素纳米颗粒被设计用于靶向M2样巨噬细胞并将其重编程为促炎M1表型，从而增强抗肿瘤免疫反应。此外，纯化的木质素和木质素纳米颗粒通常对巨噬细胞表现出低细胞毒性和最小的溶血活性，表明急性免疫相关不良事件的风险较低。总的来说，当前研究表明，木质纤维素生物材料通常表现出良好的免疫相容性，同时保留调节巨噬细胞功能的能力。然而，颗粒大小、表面化学、剂量和给药途径的差异使得研究间的直接比较变得困难。此外，尽管迄今为止报道的急性免疫原性普遍较低，但关于长期积累、降解产物和慢性免疫反应的不确定性仍然存在。因此，全面的生物安全性评估对于未来的临床转化至关重要。
7. 未来方向与挑战
3D打印已被广泛研究作为再现支持伤口愈合的ECM模拟结构的平台，同时能够制造患者特异性构建体。木质纤维素材料因其可再生性和广泛的化学改性潜力而日益受到关注。然而，一些挑战继续限制其在3D生物打印中的更广泛应用。
首先，缺乏评估墨水可打印性的定量方法限制了研究间的直接比较。因此，很难确定墨水组成与打印精度之间的明确相关性，并确定其对生物学性能的影响。此类限制在木质素基材料中更为明显，因为其复杂结构导致可重复性降低。此外，适用于光聚合过程（SLA/DLP）的木质素基材料范围有限，被认为是一个主要的技术限制。
其次，当前的3D打印技术在精确再现生物组织中发现的复杂层级结构和机械性能方面仍然存在限制。多材料打印能够制造复杂的组织类似结构。然而，生物墨水粘度和流变特性的差异可能导致喷嘴堵塞和交叉污染，最终降低打印精度和可重复性。
第三，纤维素基结构的缓慢生物降解速率可能增加长期植入期间慢性炎症或异物反应的风险。尽管已有有希望的结果，但材料组成、改性策略和评估方法的差异使得难以跨研究比较降解行为和免疫原性。因此，基于木质纤维素的支架的长期安全性仍不充分了解。
将木质纤维素材料与智能水凝胶整合，扩展了伤口响应型支架的设计。已探索了能够控制药物释放、伤口监测和微环境调节的刺激响应性木质纤维素生物材料，用于先进伤口护理应用。这些系统可能使打印支架更好地适应伤口环境的变化。然而，与长期功能稳定性、可扩展制造、灭菌兼容性和监管批准相关的挑战仍未解决。解决这些问题对于自适应木质纤维素基支架的临床应用至关重要。
