學(xué)術(shù)分享 I 明膠基材料在骨科生物3D打印中的應(yīng)用綜述

本文綜述明膠基材料在骨科生物3D打印的最新進(jìn)展。明膠因生物相容、可降解、RGD促黏附成為理想墨水，但力學(xué)弱、易溶。作者系統(tǒng)梳理甲基丙烯酸化及復(fù)合HAp、β-TCP、PEGDA、絲素等策略，提升力學(xué)與成骨/軟骨活性；比較DIW墨水直寫3D打印與DLP打印工藝，介紹4D交聯(lián)梯度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)支架；總結(jié)軟骨、骨組織工程應(yīng)用，并指出GMP細(xì)胞來源、大動(dòng)物模型、監(jiān)管成本等臨床轉(zhuǎn)化瓶頸，為后續(xù)研究提供路線圖。

2025-10-08 14:32:13深圳森工科技有限公司

1 研究背景

大段骨/軟骨缺損由創(chuàng)傷、腫瘤或感染引起，是骨科臨床極具挑戰(zhàn)的難題。傳統(tǒng)自體/異體骨移植存在供體有限、感染風(fēng)險(xiǎn)、幾何不匹配等缺陷。生物打印技術(shù)可精確構(gòu)建患者特異性細(xì)胞-支架復(fù)合體，而明膠因其優(yōu)異生物相容性、可降解性、RGD 序列促細(xì)胞黏附及快速凝膠化特性，成為骨科生物打印的理想基材。然而純明膠機(jī)械強(qiáng)度弱、37 ℃易溶解，需通過改性或復(fù)合其他功能材料以滿足骨科力學(xué)與生物學(xué)雙重要求。

2 研究內(nèi)容

本文系統(tǒng)綜述了①明膠改性策略（甲基丙烯酸化 GelMA 等）；②DIW墨水直寫3D打印/光基兩大生物打印工藝對(duì)明膠基墨水的要求；③針對(duì)軟骨（CTE）與骨（BTE）兩大場景的復(fù)合墨水配方；④4D 打印賦予支架動(dòng)態(tài)形態(tài)變化的新進(jìn)展；⑤臨床轉(zhuǎn)化瓶頸與未來方向。

Figure 1 近十年骨科（A）與軟骨（B）生物打印發(fā)文量（Scopus 檢索）

Figure 2 (A) 儲(chǔ)能/損耗模量 (B) 壓縮強(qiáng)度 (C) GM/HAMA 網(wǎng)格支架 (D) 打印保真度量化 (E) 兔喉模型 CAD 與打印實(shí)物 (F) 兔甲狀軟骨 CAD 與打印實(shí)物

Figure 3 骨科常用生物3D打印技術(shù)：(A) DIW墨水直寫3D打印；(B) 光基（DLP）

Figure 4 (A) 明膠化學(xué)結(jié)構(gòu)；(B) 氨基酸占比

Figure 5 (A) 不同配方 3D 打印網(wǎng)格；(B) S-IPN 與 IPN 體外軟骨分化染色與定量（TGF-β3）

Figure 6 (A) Live/Dead 染色；(B) Ca2? 交聯(lián)與 3D 打印細(xì)胞活性；(C) 組織學(xué)-免疫組化（II 型膠原、聚集蛋白聚糖）

Figure 7 (A) 混合打印流程；(B) 共聚焦與光學(xué)照片；(C) 20% 壓縮循環(huán)后結(jié)構(gòu)完整；(D) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Figure 8 (A) 體外成血管與 ALP/ARS 染色；(B) 大鼠顱骨缺損 2/4 周 Micro-CT 與組織學(xué)

Figure 9 (A) ALP/ARS 染色與定量；(B) 術(shù)后 2 周 Micro-CT 與組織學(xué)

Figure 10 (A) 細(xì)胞活率；(B) ALP 與 β-catenin 表達(dá)；(C) ARS 礦化；(D) 小鼠 8 周顱骨缺損 Micro-CT 與 H&E

Figure 11 體積生物3D打印異細(xì)胞骨模型：(A) 實(shí)驗(yàn)流程；(B) 3D 渲染；(C) 連續(xù)內(nèi)皮通道橫截面

Figure 12 明膠基 4D 3D打?。?A) 交聯(lián)梯度示意；(B) 吸水彎曲；(C–E) PEGDA/GM/OMA 卷曲實(shí)拍；(F–K) 多材料梯度條

3 研究結(jié)論

明膠經(jīng)甲基丙烯酸化等改性后，兼具優(yōu)良生物性能與可打印性，是骨科生物3D打印的“核心骨架”。
與 HAp、β-TCP、PEGDA、HAMA、SF 等第二相復(fù)合，可同時(shí)提升力學(xué)強(qiáng)度、成骨/成軟骨信號(hào)及降解可控性。
擠出式適合大尺寸負(fù)載細(xì)胞構(gòu)建；DLP 體積打印可在數(shù)秒內(nèi)完成厘米級(jí)、高分辨率、預(yù)血管化仿骨組織。
4D 3D打印引入交聯(lián)梯度或形狀記憶效應(yīng)，使支架隨時(shí)間“自變形”，更好匹配骨/軟骨發(fā)育動(dòng)態(tài)微環(huán)境。
臨床轉(zhuǎn)化仍受細(xì)胞來源、GMP 生產(chǎn)、大動(dòng)物模型、監(jiān)管與成本多重限制，需多學(xué)科-產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推進(jìn)。

4 論文信息

論文標(biāo)題	Bioprinting of gelatin-based materials for orthopedic application
作者	Yusuf Olatunji Waidi, Ishaq Kariim, Sudipto Datta
發(fā)表期刊	Frontiers in Bioengineering and Biotechnology
發(fā)表日期	2024 年 3 月 13 日
DOI	10.3389/fbioe.2024.1357460