3D打印负载β-TCP的GelMA/海藻酸盐互穿网络生物墨水在骨组织工程中的应用研究

为解决大段骨缺损修复中传统移植方法的免疫排斥、供体不足及传统支架材料对孔隙结构和成分控制不足的问题，研究人员开发了负载β-磷酸三钙（β-TCP）的明胶甲基丙烯酰（GelMA）/海藻酸盐互穿网络（IPN）生物墨水，通过3D打印技术构建具有优异生物相容性、机械强度和降解性能的骨修复支架。研究表明，该材料显著提升细胞增殖、矿化能力及成骨基因表达，为个性化骨再生提供了新策略。

　　

骨骼虽具备自我修复能力，但在遭遇创伤或感染导致的大面积缺损时，其修复能力往往捉襟见肘。传统解决方案如自体骨移植虽被视为“金标准”，却面临供体有限和二次伤害的困境；而异体或合成骨移植又常因免疫排斥而效果不佳。更令人头疼的是，传统支架制造技术如溶液浇铸、电纺丝等，难以精确调控材料的孔隙结构和成分，导致植入物与患者解剖结构的匹配度欠佳。

在这一背景下，3D打印技术以其“层层堆叠、精准定制”的优势崭露头角。美国国立卫生研究院（NIH）和巴西圣保罗研究基金会支持的研究团队独辟蹊径，将目光投向两种明星材料——光交联明胶甲基丙烯酰（GelMA）和离子交联海藻酸盐。GelMA能模拟细胞外基质环境却机械强度不足，海藻酸盐易成型但缺乏细胞粘附位点。研究者巧妙地将二者结合形成互穿聚合物网络（IPN），并掺入与天然骨矿物成分相似的β-磷酸三钙（β-TCP），通过3D打印技术打造出既能“撑得住”又能“引细胞”的智能骨修复支架。

研究团队采用流变学测试评估墨水的剪切稀化特性，通过压缩模量测试分析机械性能，并利用细胞实验和qPCR技术检测成骨分化效果。动物实验则通过组织学分析验证材料的生物相容性。

关键研究发现

1. 流变性能与可打印性：含β-TCP的墨水展现优异的剪切稀化行为，粘度恢复率达90%，打印分辨率评分高达0.9-1，完美适配挤出式3D打印。
2. 机械性能提升：15% β-TCP的加入使压缩模量从0.09±0.01 MPa跃升至0.15±0.01 MPa（p<0.001），同时降低35天内的生物降解速率。
3. 生物活性突破：相比基础培养基组，含15% β-TCP的支架在14天和21天时钙沉积量增加2.3倍，成骨基因RUNX2和OCN表达量显著上调。
4. 体内验证成功：小鼠植入实验显示材料无炎症反应，并观察到碳酸钙沉积，证实间充质干细胞成功分化为矿化基质分泌细胞。

这项发表于《Bioprinting》的研究，首次将β-TCP与GelMA/海藻酸盐IPN网络结合，通过3D打印实现“成分-结构-功能”的精准调控。其意义不仅在于解决了传统骨移植的供体难题，更开创性地通过β-TCP的梯度释放模拟天然骨愈合过程。未来若能在更大动物模型中验证其负载能力，这种“会呼吸的骨头”或将成为骨科临床的新宠。正如研究者Joyce R. de Souza和Maedeh Rahimnejad在讨论部分强调的，该技术为个性化骨修复开辟了新路径，特别是针对复杂颌面骨缺损的修复具有独特优势。