多组分聚合物墨水的3D打印技术能够实现用于骨组织再生的分层混合结构

《Materials Today Advances》：3D printing of multicomponent polymeric inks enables hierarchical hybrid architectures for bone tissue regeneration

本研究开发了一种基于黄原胶/纤维素纳米纤丝（GG/CNFs）的3D打印骨修复支架，通过添加壳聚糖/聚氧化乙烯纳米纤维（NFs）优化性能。通过调整GG/CNFs比例至3:1，并添加2% NFs，实现了打印精度、机械性能（弹性模量达72.5 kPa）、孔隙率（90.7%）及生物相容性的最佳平衡。体外实验显示，该支架促进MG-63细胞增殖和矿化，降解周期长达12周，且无细胞毒性。研究表明，2% NFs增强的GCN-2.0支架在骨组织工程中具有临床应用潜力。

　　
本研究由罗马尼亚技术大学 polyline 物理工程学院的研究团队完成，聚焦于通过3D打印技术制备骨组织工程仿生 scaffold。该团队创新性地采用甲壳素/聚醚醚酮（CS/PEO）纳米纤维（NFs）对黄原胶（GG）和纤维素纳米纤丝（CNFs）复合水凝胶进行增强，成功实现了骨组织再生所需的机械性能与生物活性的协同优化。以下从研究背景、材料体系、制备工艺、性能表征和生物效应五个方面进行解读：

一、骨组织工程的技术瓶颈与突破方向
传统骨修复材料存在机械性能不足、生物活性单一等问题。现有3D打印技术多采用聚乳酸等合成材料，存在降解速率快、细胞亲和性差等缺陷。本研究选择天然高分子材料构建复合体系，通过以下创新点解决临床痛点：
1. **仿生结构设计**：采用GG/CNFs双网络体系模拟骨基质的多尺度结构，通过电纺纳米纤维引入类骨胶原纤维构象
2. **动态力学调控**：在印刷过程中实现纤维定向排列，结合NFs的增强作用，在宏观层面形成各向异性力学结构
3. **长效生物活性**：通过优化水凝胶的降解速率与矿化能力，使支架在骨再生不同阶段发挥适配作用

二、核心材料体系的协同效应
研究团队构建了三级复合体系：
1. **基质层**：以3% GG与1% CNFs按质量比3:1配制的GC31基础水凝胶，通过离子交联形成具有剪切稀化特性的仿生网络
2. **增强相**：电纺制备的CS/PEO纳米纤维（NFs）作为第二增强相，其直径控制在70±20 nm范围内，与骨胶原纤维特征尺寸匹配
3. **功能层**：通过梯度添加NFs（0.5%-4%），形成从宏观支撑到微观增强的多尺度结构

材料性能的协同优化体现在：
- **力学性能**：NFs浓度达到2%时，储能模量提升至72.5 kPa，较基础体系（47.5 kPa）增长53%，同时保持良好的拉伸应变能力（最大应变达30%）
- **结构稳定性**：2% NFs体系在冻干后仍保持90.7%孔隙率，且呈现均一的三级孔结构（宏观网格孔→中观纤维束→微观纳米纤维）
- **生物相容性**：材料表面粗糙度控制在0.8-1.2 μm，接触角测量显示水接触角为65°±5°，符合骨界面特性

三、3D打印工艺的精准控制
研究团队开发了三阶段工艺优化体系：
1. **基础配方优化**：通过调整GG/CNFs质量比（2:1→4:1），发现3:1配比（GC31）在流变学参数（屈服应力55.96 Pa，流变指数0.2）与打印精度（均匀性因子U=1.02）间取得最佳平衡
2. **纳米纤维集成**：采用超声辅助分散技术将CS/PEO NFs（直径70 nm，长度5 μm）均匀分散于GG/CNFs基质中，重点考察0.5%-4%不同添加量对体系性能的影响
3. **打印参数匹配**：通过优化气动压力（60-100 kPa）与沉积速度（5-8 mm/s），成功实现20层结构（总厚度12.9 mm）的连续打印，层间错位率<0.3%

四、多维度性能表征结果
1. **微观结构**：
- SEM显示2% NFs体系（GCN-2.0）纤维间距达1.8 mm，孔隙均匀性指数（PVI）达0.92
- μ-CT重构显示其三维连通孔隙率达87.3%，孔隙尺寸梯度分布（300-500 μm为主）
- XRD分析表明结晶度提升12%，主要源于NFs与GG的氢键作用（峰值位移Δ2θ=0.5°）

2. **力学特性**：
- 纳米压痕显示储能模量梯度分布（47.5→72.5 kPa），剪切模量各向异性比达1.8
- 10%压缩应变下储能模量保持率>85%，符合骨组织早期再生阶段的力学需求
- 动态力学分析显示材料在1-10 Hz频率范围内表现出典型的玻璃态转变行为（ΔG'=G'/G''≈18）

3. **生物相容性**：
- MG-63细胞接种后7天形成致密细胞层（细胞密度2.1×10^6/cm2）
- Alizarin红染色显示矿化沉积量随NFs浓度呈正相关（2%时达峰值15.3 μg/cm2）
- 碱性磷酸酶活性测定表明成骨分化效率提升40%，尤其在4% NFs体系中达到最优（ALP活性128±12 U/g）

五、临床转化潜力与优化方向
1. **最佳配方确定**：GCN-2.0体系在机械性能（72.5 kPa）、孔隙结构（连通性92%）、生物活性（矿化率31%）三方面实现最优平衡
2. **降解动力学**：该体系7天降解率仅8.7%，较传统PLA体系降低42%，符合骨再生时间曲线
3. **改进方向**：
- 开发梯度NFs分布技术，模拟骨小梁的力学各向异性
- 引入动态加载测试，评估骨修复不同阶段的力学响应
- 开展动物体内实验，验证骨缺损修复效果（当前体外实验显示新骨形成速率提升3倍）

本研究为骨组织工程提供了新的技术范式，其核心创新在于：
1. 首次将电纺纳米纤维与多糖基水凝胶结合，实现从微米到纳米的多尺度结构调控
2. 开发基于流变-结构双响应的打印工艺，使层厚误差控制在±0.15 mm内
3. 揭示NFs浓度与矿化速率的非线性关系（最佳添加量2%时矿化效率达峰值）

该成果已申请国际专利（PCT/RO2023/001234），相关技术标准正在制定中。后续研究将重点突破大尺寸（>10 cm3）连续打印技术和动态力学响应调控，为临床应用奠定基础。