基于热响应性生物聚合物的复合生物墨水在软骨工程中的应用与评估

为解决软骨损伤修复能力有限这一临床难题，研究人员开发了一种由羧化琼脂糖(CA)和明胶(GelA)组成的双网络热响应性复合生物墨水，通过3D生物打印技术构建负载人鼻软骨细胞(hNCs)的工程化软骨。研究发现，低固体含量结构更有利于细胞外基质(ECM)沉积，明胶的加入显著提升了II型胶原(COLII)表达均匀性和糖胺聚糖(sGAGs)的生物合成。该研究为开发可临床转化的软骨修复材料提供了新策略。

　　

软骨损伤修复一直是临床面临的重大挑战。由于软骨组织缺乏血管和神经分布，其自我修复能力极其有限。传统的治疗方法如自体软骨移植存在供体有限、免疫排斥等问题，而人工合成材料又难以模拟天然软骨的力学性能和生物学功能。3D生物打印(3DBP)技术的出现为软骨再生带来了新希望，但如何开发既能满足打印要求又能支持软骨细胞功能表达的"智能"生物墨水，成为制约该技术临床应用的关键瓶颈。

针对这一难题，国外研究团队在《Materials》发表了一项创新性研究。该团队选择羧化琼脂糖(CA)和明胶(GelA)这两种热响应性生物聚合物作为基础材料，通过精确调控其配比和物理化学性质，开发出适用于软骨工程的新型复合生物墨水。CA具有接近生理温度的凝胶化特性(约37℃)和可调的机械强度，而GelA则能提供细胞粘附所需的RGD序列。这种双网络结构的设计既保留了CA优异的打印性能，又通过GelA的生物学活性促进了软骨基质的沉积。

研究采用了多项关键技术：通过流变学测试评估材料的温度响应特性；利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察材料微观结构；采用3D生物打印技术构建负载人鼻软骨细胞(hNCs)的工程化软骨；通过组织学染色和免疫组化分析II型胶原(COLII)和糖胺聚糖(sGAG)的表达；使用二甲基亚甲基蓝(DMMB)法量化sGAG含量；通过压缩试验评估构建体的力学性能。

在"热响应性CA和明胶的行为"部分，研究发现CA的凝胶-溶液转变温度(T_gel-sol
)显著高于GelA(>70℃ vs 24-38℃)，这种差异使得CA/GelA混合物能在生理温度下保持凝胶状态。流变学测试显示，当GelA比例超过25%时，复合材料的基线粘度显著增加，但所有配比均保持快速凝胶化特性。

"CA基生物墨水打印浓度的优化"研究表明，7%及以上浓度的CA能获得更好的打印分辨率。虽然降低固体含量有利于后续组织重塑，但4% CA因过度流动导致打印结构变形，而5% CA开始呈现设计的环形结构。

"CA/GelA混合物保留打印的关键流变学属性"部分证实，所有CA/GelA混合物在冷却时都表现出粘度快速增加，但低温下的最终粘度均低于纯CA。这种双相互穿网络结构导致整体刚度降低，但能保持物理完整性。37℃长期培养实验表明，材料仍能维持凝胶状态。

"明胶可作为致孔剂掺入CA且不发生相分离"的发现尤为关键。扫描电镜显示复合材料具有均匀的多孔结构，原子力显微镜观察到CA/GelA表面存在更大域结构。明胶在48小时内大部分释放，产生的孔隙有利于营养物质运输和细胞迁移。

"打印hNC构建体的组织学评估"显示，含GelA的构建体中hNCs分布更均匀。培养4周后，7% CA、8% CA和8% CA + 0.89% GelA组形成了连续的sGAG阳性区域。Masson三色染色和COLII免疫组化证实，sGAG沉积与COLII合成具有时空共定位特征。值得注意的是，含30% GelA的构建体初期细胞聚集较慢，但后期通过基质金属蛋白酶13(MMP-13)介导的明胶降解加速了ECM沉积。

在"打印hNC构建体的sGAG、DNA定量和力学性能"部分，生化分析显示所有组别的GAG/DNA比值均随时间增加，含GelA组别表现出更高的GAG生产效率。力学测试表明纯CA构建体保持更好的机械稳定性，而CA/GelA复合材料在培养过程中软化，这反而有利于ECM的形成。

这项研究的主要结论是：CA/GelA复合生物墨水通过热诱导物理交联形成双网络结构，既满足3D生物打印的工艺要求，又能支持软骨细胞的功能表达。明胶的加入虽然降低了材料的初始刚度，但通过形成临时性孔隙和提供细胞粘附位点，显著改善了II型胶原的表达均匀性和糖胺聚糖的合成效率。这种策略为开发临床可用的软骨修复材料提供了新思路，特别是通过调控生物墨水的降解动力学与组织再生速率的匹配，有望实现打印结构的原位重塑和功能重建。

研究的创新性在于首次系统评估了CA/GelA这一特殊组合在软骨生物打印中的应用潜力，明确了材料组成-打印性能-生物学效应之间的定量关系。未来研究可进一步探索明胶的共价固定策略以延长其滞留时间，并通过动物实验验证打印结构的长期稳定性和功能成熟度。该工作为个性化软骨修复体的临床转化奠定了重要基础。