悬浮水凝胶生物打印优化实现高结构完整性的3D软聚合物构建体

本研究针对软组织体外模型（如神经、玻璃体或造血组织）对三维(3D)软质功能化构建体的需求，通过优化低粘度生物墨水（η=121±4 mPa·s）的悬浮挤出生物打印工艺，采用全因子设计评估工艺稳定性。研究实现了骨髓基质细胞(5×105 cells/mL)的高活性打印（7天代谢活性优于2D培养），获得压缩杨氏模量7.8±0.9 kPa、吸水率60%且21天降解率极低的软构建体，为软组织工程提供了新型工艺优化方案。

　　

在组织工程领域，构建能模拟天然细胞外基质(ECM)微环境的3D软组织模型一直是重大挑战。传统2D培养因缺乏空间结构和生理相关性，难以再现神经、骨髓等软组织的力学特性（如杨氏模量0.4-24.7 kPa）。虽然生物打印技术能精确排布细胞，但低粘度墨水（<200 mPa·s）易因重力塌陷，导致分辨率受限（毫米级）与机械性能失衡（通常>10 kPa）。针对这一瓶颈，来自国外研究机构的Miriam Seiti团队在《Bioprinting》发表研究，通过优化悬浮水凝胶(FRESH)生物打印工艺，实现了高精度（~250 μm）、低模量（7.8 kPa）的软组织构建。

研究采用三因素协同策略：1) 设计含海藻酸钠(SA)、羧甲基纤维素(CMC)和明胶(Gel)的低粘度生物墨水（121±4 mPa·s），通过CaCl₂离子交联与低温物理凝胶化双重固化；2) 利用10-30 mM CaCl₂浓度的明胶悬浮浴实现动态流变支撑；3) 基于实验设计(DOE)优化打印参数（速度s、压力p、温度T），以可打印性指数Pr量化形状保真度。实验选用骨髓基质细胞（5×10⁵ cells/mL）验证生物相容性。

FRESH浴与墨水表征
悬浮浴经灭菌后粘度降低（30 mM CaCl₂浴从1370±69降至852±12 mPa·s），而含2.5% CMC的墨水展现剪切稀化特性（50-100 s^?1下η稳定）。流变测试表明，高CMC含量墨水储能模量(G')提升3倍，支撑结构稳定性。

打印工艺优化
DOE分析显示，25°C打印头温度、10 mm/s速度组合使Pr值达0.91±0.03，实现250 μm细丝分辨率。相比1% CMC墨水，2.5% CMC样品形状保真度提高37%，归因于微纤维网络对ECM的仿生模拟。

细胞响应与长期性能
打印后7天细胞ATP含量达2D培养的100%，21天内降解率<5%。压缩测试显示构建体具备类骨髓力学性能（7.8±0.9 kPa），60%吸水率维持培养微环境稳定。

该研究突破性地将FRESH工艺与低粘度墨水结合，通过多尺度参数调控解决了软构建体“高分辨率-低刚度”的矛盾。其意义在于：1) 为神经、骨髓等软组织模型提供标准化生物制造方案；2) 证明CMC微纤维可替代传统高交联度提升机械性能；3) DOE方法为工艺优化建立量化框架。未来可拓展至血管化组织或动态培养系统研究。