绿色又安全，3D打印胶原水凝胶：从材料设计、打印方式到应用
近年来，3D打印技术在生物医学领域的应用迅速发展，尤其是在组织工程和再生医学中展现出了巨大的潜力。其中，胶原水凝胶因其独特的材料特性和优异的生物相容性，成为了研究的热点。胶原作为一种人体内天然存在的结构蛋白，具有保留三螺旋结构的能力，不仅提供了与天然组织相仿的细胞外基质环境，还在促进细胞黏附、增殖和分化方面具有显著优势。相比于传统的合成聚合物，胶原水凝胶因其天然来源、可生物降解性和低免疫原性，为3D生物打印在临床应用中提供了一个绿色、安全和高效的替代方案。
在实际应用中，胶原水凝胶的设计与优化需要针对不同的生物医学需求进行调整。通过化学修饰如甲基丙烯酸化（CMA）和物理交联等方式，胶原水凝胶的机械性能、打印稳定性和生物活性得到了显著提升。这种材料不仅适用于常见的挤出式3D打印，还在数字光处理（DLP）等高精度打印技术中表现出色。为了进一步提高材料的可打印性和功能性，研究者们还引入了辅料如透明质酸、明胶等，形成复合水凝胶系统，能够更好地控制细胞行为和组织构建。
3D打印胶原水凝胶因其材料设计灵活性、打印方式多样性以及优异的生物相容性和功能性，在再生医学和组织工程中展现了广泛的应用潜力和临床适用性。通过不断优化材料特性和打印技术，这种绿色、安全的生物墨水正逐步成为未来个性化医疗和组织再生的重要工具。本期EFL为大家系统总结了10篇关于胶原水凝胶3D打印的创新应用和前沿研究，探讨其在不同生物医学领域中的具体应用、挑战以及未来发展方向。
文献1：《Adv. Healthcare Mater.》在微凝胶浴中嵌入胶原蛋白的3D生物打印，以控制水凝胶微观结构和细胞扩散
材料设计：文献中使用了两种类型的胶原墨水来进行嵌入式3D生物打印：物理自组装的胶原（PHYS）和通过生物正交点击化学交联的胶原（SPAAC）。PHYS胶原通过在生理温度下形成纤维自组装成凝胶，而SPAAC胶原则通过一种应变促进的叠氮-炔环加成反应（strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, SPAAC）进行共价交联。此外，文献中还详细描述了各种支撑浴的制备，包括Pluronic F-127支撑浴、Carbopol支撑浴以及明胶微粒支撑浴。
打印方式：采用双喷嘴3D生物打印系统进行嵌入式打印。
材料应用：本文研究了在嵌入式3D生物打印中使用明胶微粒支撑浴进行打印的胶原水凝胶的应用，特别是在控制水凝胶微结构和细胞行为方面的应用。研究表明，通过选择合适的支撑浴和交联化学方法，可以在保持打印结构稳定性的同时实现细胞的良好扩展。此外，具有大孔隙结构的SPAAC胶原水凝胶可以显著提高角膜基质干细胞（MSCs）的扩展能力，这对于组织工程应用具有潜在的优势。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202303325
文献2：《Adv. Healthcare Mater.》利用低浓度胶原蛋白为基础的生物墨水进行乳腺肿瘤细胞和类器官的嵌入生物打印
材料设计：使用了一种基于低浓度I型胶原的生物墨水，并与热响应的透明质酸（HA）基聚合物组合，称为胶原-HA-pNIPAM (CH) 生物墨水。该生物墨水被优化用于嵌入式3D生物打印，适用于乳腺癌细胞和癌症相关成纤维细胞（CAFs）。研究还使用生物相容且物理交联的丝蛋白水凝胶作为支撑浴，用于嵌入式3D打印，以支持低粘度胶原生物墨水的打印。
打印方式：使用嵌入式3D生物打印技术在丝蛋白水凝胶支撑浴中进行打印。
材料应用：本研究中的材料应用于嵌入式3D打印乳腺癌肿瘤模型和血管化肿瘤模型，以模拟体内肿瘤形态和微环境特征。研究结果表明，使用CH生物墨水的打印模型能够更好地保持癌细胞和基质细胞的空间组织和表型，类似于体内肿瘤组织。这种方法为未来的药物发现研究提供了技术优势，并在乳腺癌细胞生物学和药物筛选研究中展示了潜力。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300905
文献3：《Adv. Healthcare Mater.》在柠檬酸盐调制结冷胶微凝胶浴中增强分辨率的胶原蛋白支架3D打印
材料设计：设计了一种新型的支撑浴，使用改良的结冷胶（Gellan Gum, GG）微凝胶浴来实现高分辨率的3D打印。通过引入柠檬酸三钠（TSC）到GG微凝胶浴中，抑制了微凝胶的聚集，形成了均匀的浴形态，并通过TSC的脱水效应抑制了胶原墨水在浴中的扩散。这种设计有效地提高了打印的分辨率。
打印方式：采用BIO-X生物打印机，在GG微凝胶浴中进行嵌入式打印。
材料应用：该研究的材料应用于打印各种复杂的3D生物结构，如手、耳朵和人类心脏模型。通过调节GG微凝胶浴的粒径和分散性，打印出的胶原模型能够精确再现复杂的解剖结构，并显示出良好的生物相容性。这些打印结构在与人体诱导的多能干细胞来源的心肌细胞（HiPS-CM）共培养后，显示出周期性跳动行为，表明其在组织工程和医学应用中具有潜力。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202301090
文献4：《Adv. Healthcare Mater.》基于胶原蛋白的低粘度复合材料的神经血管组织3D生物打印模型
材料设计：设计了一种低粘度的海藻酸钠/胶原复合生物墨水用于神经血管组织的3D打印。生物墨水由海藻酸钠和胶原组成，通过在打印过程中使用CaCl2进行瞬时交联，以增强其粘弹性和稳定性；在培养阶段，通过添加海藻酸裂解酶（alginate lyase）裂解海藻酸部分，降低水凝胶的刚度，增加孔隙度，为细胞提供类似于脑基质的微环境。这种设计能够动态调节材料的机械性能和微结构，适应神经血管单元（NVU）模型的构建需求。
打印方式：结合嵌入式3D打印和热铸工艺构建神经血管单元（NVU）模型。
材料应用：该研究中的材料应用于神经血管单元（NVU）模型的3D打印和体外仿生结构构建。结果显示，使用这种低粘度的生物墨水能够打印出具有多层同轴结构的神经血管模型，其中内皮细胞表现出紧密连接蛋白的表达和选择性通透性，神经胶质细胞则在外层分支扩展并与内皮细胞直接相互作用。这种仿生模型为进一步研究NVU功能、神经药物筛选及脑疾病模型构建提供了新的思路和方法。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300004
文献5：《Biofabrication》生物打印光交联中性溶解胶原蛋白，构建细胞取向可编程的可植入结缔组织
材料设计：该研究设计了一种基于光交联的中性溶解胶原（NorCol）的生物墨水，用于打印具有细胞可编程取向的可植入结缔组织。NorCol通过将酸溶性胶原与5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐反应合成，保留了完整的胶原分子结构，具有出色的剪切变稀和自愈性能。通过调整打印过程中自由硫醇基的数量和原位辐照强度，实现支撑材料与细胞负载水凝胶之间的稳定粘附界面，从而构建几何结构引导和模量无关的各向异性机械环境，促进细胞取向。
打印方式：采用SLA Bioprinter Pro生物打印机进行挤出式3D打印，并通过紫外光交联。
材料应用：该研究的材料应用于可植入结缔组织的3D打印，能够构建具有细胞取向的复杂组织结构。NorCol生物墨水通过调节不同浓度的NorCol和控制光交联过程，成功打印出具有高机械强度和细胞生物相容性的支架结构，并在体外培养中显示出良好的细胞增殖和分化性能。这种生物墨水系统为组织工程和再生医学中的结缔组织重建提供了新的方法和潜力。
文章来源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/acc760
文献6：《ACS Materials Lett.》双光子3D打印可控微凝胶通道研究乳腺癌细胞迁移（2023.11.13）
材料设计：本研究设计了一种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创建可调控的水凝胶微结构。该聚合物在两光子激发下通过环加成交联形成稳定的水凝胶微结构。通过这种“水凝胶-水凝胶”打印策略，可以在三通道微流控芯片中的胶原基质内打印具有可控几何形状和力学性能的水凝胶微结构。
打印方式：通过双光子共聚焦显微镜在预固化的胶原基质中进行打印。
材料应用：该研究中的材料应用于在微流控芯片中创建可调控的水凝胶限制微环境，以研究癌细胞在不同机械应力条件下的迁移行为。结果表明，MDA-MB-231乳腺癌细胞在刚性更强的水凝胶限制环境中显示出更快的迁移速度，并伴随YAP的核转位和活化。该平台为研究细胞在受限微环境中的迁移机制及其在肿瘤转移中的潜在应用提供了一种强大的工具。
文章来源：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00853
文献7：《Biofabrication》一种用于关节软骨缺损修复的可注射和3D打印的促软骨透明质酸和胶原II型复合水凝胶（2023.10.27）
材料设计：本研究设计了一种关节软骨基质启发的促软骨生成水凝胶，由甲基丙烯酸化透明质酸（MeHA）和不同类型的胶原（I型胶原Col I和II型胶原Col II）复合而成。MeHA的引入改善了水凝胶的机械性能，并能够通过光交联形成稳定的水凝胶网络。研究开发了三种配方：MeHA-Col I、MeHA-Col I/Col II复合水凝胶和MeHA-Col II水凝胶。Col I的加入旨在增强水凝胶的机械稳定性，而Col II的加入则增强了软骨细胞的生成潜力。
打印方式：采用FRESH（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）方法在热可逆明胶支撑浴中进行3D打印。
材料应用：该研究开发的MeHA和胶原基水凝胶用于关节软骨缺损的修复，能够通过微创的关节镜注射或3D打印个性化再生支架进行治疗。MeHA-Col II水凝胶由于其较高的软骨基质生成能力，被认为适用于注射应用，而MeHA-Col I/Col II水凝胶由于其较高的机械稳定性和良好的3D打印性能，被认为适用于打印个性化再生支架。研究表明，这些水凝胶能够有效促进MSCs的软骨分化和特定软骨基质的沉积，为软骨再生医学中的应用提供了新的解决方案。
文章来源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad047a
文献8：《Biomacromolecules》基于物种的差异对甲基丙烯酸酯化胶原水凝胶的力学性能、细胞相容性和打印性的影响（2022.11.23）
材料设计：该研究设计了基于甲基丙烯酸化胶原（CMA）的光敏水凝胶，用于细胞负载和3D生物打印。通过对牛、人体和大鼠三种不同来源的胶原进行甲基丙烯酸化处理，制备了CMA水凝胶。研究评估了不同来源的胶原、不同提取方法（酸提取与胃蛋白酶消化）以及不同光引发剂（Irgacure-2959和LAP）对CMA水凝胶的机械性能、细胞相容性和打印适应性的影响。
打印方式：使用FRESH方法在明胶支撑浴中打印CMA水凝胶。
材料应用：该研究开发的CMA水凝胶被应用于3D生物打印，特别是在打印复杂的组织结构和用于组织工程的支架方面表现出优异的性能。研究结果显示，源自人类胶原的CMA具有最佳的打印保真度，适合作为生物墨水用于打印复杂的组织工程结构。
文章来源：https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00985
文献9：《Materials Today Bio》功能化仿生矿化胶原促进3D打印钛合金微孔界面骨整合（2023.12.05）
材料设计：该研究设计了一种功能化的仿生矿化胶原（FMC）材料，其中加入了海藻酸钠（SA）和血管内皮生长因子（VEGF）。FMC材料不仅具有良好的机械强度，还能够持续释放生长因子以促进骨和血管的再生。通过将FMC材料填充到3D打印的钛合金支架的微孔中，形成一种新的有机-无机生物活性界面。随着FMC的持续降解，周围环境中的骨髓间充质干细胞（BMSCs）和血管内皮细胞（VECs）被吸引到支架表面，促进骨和血管的再生。
打印方式：电子束熔化系统打印钛合金支架后填充FMC水凝胶。
材料应用：该研究的材料应用于促进3D打印钛合金支架与骨组织的整合。研究结果表明，功能化矿化胶原（FMC）与钛合金支架的结合（sTi/VEGF）能够显著促进骨和血管的再生，从而增强支架与骨组织界面的整合性。体外和体内实验均表明，sTi/VEGF能提高BMSCs的增殖和成骨分化能力，诱导VECs聚集，并增加成骨和血管相关基因的表达。植入兔子股骨缺损中后，通过Micro CT和推挤实验等方法验证了其在促进骨整合中的效果。
文章来源：https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100896
文献10：《Materials Today Bio》与甲基丙烯酸明胶（GelMA）相比，光固化胶原基细胞负载生物墨水在数字光处理（DLP）和挤出生物打印中的优势（2023.09.16）
材料设计：本研究设计了一种改良的甲基丙烯酸化胶原（CMA）光固化生物墨水，利用来源于猪皮的I型胶原，通过在低温（4℃）和酸性条件（pH < 7.0）下进行甲基丙烯酸化处理，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，可与Schwann细胞（SCs）和骨髓间充质干细胞（BMSCs）相结合，适用于数字光处理（DLP）和挤出式生物打印。与传统的甲基丙烯酸化明胶（GelMA）相比，CMA保留了胶原特有的三螺旋分子结构，促进细胞与基质之间的信号传递和相互作用。
打印方式：采用DLP和挤出式3D打印结合UV光源打印。
材料应用：该研究的材料应用包括开发适用于DLP和挤出式3D生物打印的胶原基生物墨水，特别是在构建具有嵌入细胞的三维组织工程支架方面具有应用潜力。研究表明，与传统的GelMA相比，使用CMA生物墨水在DLP打印中具有更高的结构保真度和更光滑的表面，同时在细胞增殖、形态学和基因表达方面表现出更优异的生物学性能。这种改良的CMA生物墨水为未来的细胞负载3D生物打印提供了新的方向，特别是在神经组织再生和骨组织工程中的应用。
文章来源：https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100799
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