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本文系统综述了基于天然大分子（NMs）的生物墨水在 3D 生物打印中的应用。阐述了其生物打印技术、墨水成分、表征方法及医学应用等，指出 NMs 虽有优势，但存在标准化等问题，混合墨水是趋势，对推动再生医学等领域发展意义重大。
引言
人体多数器官和组织因衰老、损伤或疾病，再生能力受限。器官移植面临供体不足和宿主反应等难题。3D 生物打印作为新兴技术，能精准构建模拟生物结构，将生物相容性材料与活细胞结合，逐层制造功能组织，在组织工程、再生医学和制药开发等领域有广阔应用前景。其市场规模预计从 2022 年的 27 亿美元增长到 2028 年的 69 亿美元。
生物墨水是 3D 生物打印的关键，多数为基于水凝胶的材料。天然大分子（NMs）在生物打印中优势显著，具有良好的生物相容性、生物降解性和生物活性，毒性低，利于细胞生长和组织再生，但目前对其在生物墨水配方中的综合评估仍需加强。本综述聚焦 NMs 衍生的生物墨水，基于 PRISMA 指南进行系统分析，旨在为 3D 生物打印技术从实验室走向临床应用提供参考。
方法
本系统综述遵循 PRISMA 指南，于 2024 年 4 月 19 日在 Scopus、PubMed 和 Embase 数据库进行检索。检索词涵盖 “bioink”“alginate”“nanocellulose OR biocellulose” 等，围绕 “NMs 的理化性质如何影响其在生物墨水应用中的功能和效果” 以及 “优化天然生物墨水以提高 3D 打印功能性组织的可重复性和活力的新兴趋势有哪些” 两个研究问题展开。
通过标题和摘要筛选、全文筛选两个阶段确定文章的纳入和排除。纳入标准包括英文研究文章、生物墨水经表征、基于天然大分子、包含体外或体内研究、有 3D 打印模型且应用于生物医学领域；排除标准为其他语言、非研究文章类型、未表征的生物墨水等。
结果
- 选择的证据：检索共得到 193 项独特研究，经筛选，最终 86 项研究纳入本综述。提取的数据涵盖生物打印技术、生物墨水成分、细胞类型和密度、生物墨水详细信息、表征技术及 3D 打印模型的应用等方面。
- 生物打印技术：3D 生物打印常用技术有挤出式、喷墨式、数字光处理（DLP）、立体光刻（SLA）和激光辅助打印等。挤出式打印应用最广泛，占研究的 83.7%，因其能使用多种粘度和成分的生物墨水，海藻酸盐和明胶等 NMs 常被用于此类打印。DLP、喷墨和 SLA 使用较少，但在特定场景有重要应用。新兴技术如挤出和喷墨结合、液滴雾化、低温沉积制造（LDM）等在再生医学有良好前景。
- 生物墨水成分、频率分析和配方趋势：生物墨水的选择受多种因素影响，NMs 因生物相容性和模拟细胞外基质（ECM）能力广泛应用。频率分析显示，NMs、化学修饰的 NMs 和混合配方使用较多。其中，蛋白质在 NMs 中使用最频繁，去细胞化细胞外基质（dECM）也很重要。多数生物墨水为研究人员定制，细胞密度优化对打印结构的活力和功能很关键，目前生物墨水存储信息报告较少。
- 化学修饰和交联策略：化学修饰和交联策略可增强 NMs 的稳定性、机械性能、可打印性和生物活性。交联策略分为酶促、物理和化学方法，双交联方法常被用于开发性能更优的生物墨水。这些策略可根据不同组织工程应用需求，优化生物墨水的性能，如在骨组织工程中增强支架强度，在软组织工程中提高弹性和生物相容性。
- 生物墨水的表征技术和生物学研究：生物墨水的表征技术包括物理、化学和生物学评估。物理性质评估中，流变学分析最常用，用于确定生物墨水的可打印性；扫描电子显微镜（SEM）和机械性能分析也较广泛，用于观察微观结构和评估机械性能。化学性质分析主要有降解分析和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）。生物学性质评估方面，细胞活力和增殖测定最常见，组织学和成像分析、基因和蛋白质表达分析、功能测定以及体内研究也很重要，但目前对基于 NMs 的生物墨水的长期功能研究较少。
- 应用：基于 NMs 的生物墨水在生物医学领域应用广泛，主要集中在再生医学和组织工程。在再生医学中，软骨、骨和肌肉再生研究较多；在组织工程中，通用组织工程和皮肤及伤口修复是主要研究方向。此外，生物墨水在个性化医学的疾病建模和药物筛选中也有重要应用，还出现了可持续生物墨水的研究方向。
讨论
3D 生物打印技术发展使生物墨水种类增多，NMs 在复制天然 ECM 特性方面作用关键，能促进细胞黏附、增殖和分化。但 NMs 存在批次间差异、分子量波动和聚合不一致等问题，影响打印和机械性能，在高精度打印技术中也有局限性。
混合生物打印方法有潜力解决单一技术的不足，然而，目前缺乏标准化、商业化生物墨水，影响研究的可重复性和可比性。未来需建立标准化评估方法，加强对基于 NMs 的生物墨水长期功能的研究，以推动其在生物医学领域的应用。
前景
3D 生物打印用于生物医学仍处于早期实验阶段，从实验室到临床应用面临诸多挑战。目前生物墨水缺乏标准化，不同研究组开发的墨水差异大，限制了大规模临床应用。3D 打印技术尚不成熟，许多创新和数据未公开。未来应重点推进生物墨水的标准化和商业化，加强学术界和产业界合作，以促进 3D 生物打印技术的发展，满足临床和患者需求。
结论
本系统综述表明，NMs 显著提升了 3D 生物打印生物墨水的生物相容性、生物活性和机械适应性，有助于细胞黏附和组织整合。但 NMs 存在分子重量、交联效率和批次一致性的问题，影响生物墨水性能。混合生物墨水是发展趋势，但需要标准化的表征方法和更好的报告实践，以充分发挥基于 NMs 的生物墨水在组织工程中的潜力。
