基于PLGA/PEG/HA热敏微球的混合生物打印技术构建力学增强型血管化骨组织

为解决骨缺损修复中水凝胶生物墨水力学性能不足的临床挑战，以色列理工学院团队开发了一种新型混合生物打印策略。该研究通过共打印含PLGA/PEG/HA热敏微球的增强型生物墨水与细胞负载的ECM水凝胶，成功构建了兼具高机械强度（杨氏模量达800 kPa）和血管网络形成的骨组织工程支架。大鼠股骨缺损模型证实该植入体显著促进新骨形成（高钙化骨增加53.47±8.4%），为功能性骨再生提供了突破性解决方案。

　　

骨组织缺损修复一直是临床面临的重大挑战，特别是由创伤或感染导致的大段骨缺损，往往需要复杂的手术干预且效果有限。传统自体骨移植存在供体部位并发症和形状匹配困难等问题，而现有生物打印技术面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境——常用的水凝胶生物墨水（如纤维蛋白、明胶甲基丙烯酰胺GelMA）虽然具有良好的细胞相容性和打印性能，但力学强度不足，难以承受植入后的生理载荷；而具备足够力学性能的合成材料（如聚己内酯PCL）又需要高温或有机溶剂处理，与活细胞打印不兼容。这种矛盾严重限制了生物打印骨组织的临床应用。

以色列理工学院Shulamit Levenberg团队在《Biomaterials》发表的研究中，创新性地提出"混合生物打印"解决方案。研究人员开发了一种基于聚乳酸-羟基乙酸共聚物/聚乙二醇/羟基磷灰石（PLGA/PEG/HA）热敏微球的增强型生物墨水，其关键突破在于通过PEG400将PLGA的玻璃化转变温度（T_g）从43.51°C降至36.01°C，实现了37°C生理条件下的微球烧结。该生物墨水与细胞负载的ECM水凝胶共打印后，形成了具有分级孔隙结构的复合支架，其压缩模量达800 kPa，比纯水凝胶组（0.58 kPa）提升三个数量级。

研究采用多项关键技术：双乳化法制备PLGA/PEG/HA多孔微球（含30% HA和10% PEG400）；κ-卡拉胶支持浴（CarGrow）实现高精度自由成型打印；共培养人脂肪来源MSCs与RFP标记HUVECs（1:1比例）构建血管网络；通过大鼠5mm全层股骨缺损模型（采用PEEK板固定）评估植入体修复效果。微CT扫描采用Skyscan 1276系统，以55kV/72μA参数区分高钙化（HCB）与低钙化（LCB）新生骨。

Fabrication and characterization of thermosensitive PLGA/PEG/HA microparticles
通过双乳化法制备的30μm微球展现双级孔隙结构，差示扫描量热证实添加10% PEG400使T_g降至36.01°C。扫描电镜显示烧结后微球间形成桥接连接，HA的加入既增强力学性能又保持烧结能力。

Characterization of Reinforcing Bioink
优化发现甘油/Pluronic F127混合载液（1:3.5微球:载液比）打印后直径仅缩小4.3%，优于纯Pluronic（膨胀34.5%）或纯甘油（收缩45.5%）。流变测试显示所有配比均具有剪切稀化特性。

Bioprinting Using Thermosensitive PLGA/PEG/HA Reinforcing Bioink
层间重叠度实验表明50%重叠时杨氏模量最高。成功打印出解剖结构的股骨截面（直径25mm）和腰椎椎体（含皮质骨仿生外壁和螺旋状松质骨内芯），微CT证实孔隙贯通。

Hybrid bioprinting enables the creation of mechanically robust constructs with high cell viability
交替打印增强型生物墨水（占70%体积）与含8×10⁶ cells/mL的ECM水凝胶（纤维蛋白原/胶原I/纤连蛋白），7天后PrestoBlue检测显示细胞活性>95%。共聚焦显微镜观察到HUVECs自组装成CD31⁺毛细血管网络。

Hybrid Bioprinting of Vascularized Bone Tissue Implants
14天培养后，53.47±8.4%细胞表达成骨关键转录因子RUNX2，骨桥蛋白（OPN）分泌显著。构建的"骨小梁样"结构（直径5mm）含2mm中央髓腔仿生通道。

Hybrid bioprinted bone tissue used in vivo
植入21天后，细胞组新生骨体积比无细胞组高3.2倍（p<0.001），其中高钙化骨占比提升68%。组织学显示细胞组存在多核破骨样细胞（抗酒石酸酸性磷酸酶TRAP⁺），Masson染色显示更致密的胶原排列。

这项研究开创性地解决了生物打印骨组织的力学强度-生物活性矛盾。PLGA/PEG/HA热敏微球的设计实现了：①室温打印性与37°C自烧结的统一；②30% HA含量兼顾力学增强（压缩模量344.2±18.66 kPa）与骨传导性；③多孔结构保障营养扩散（细胞存活率>95%）。临床转化价值体现在：大鼠模型中细胞组3周即形成成熟骨组织，血管密度提高2.4倍；打印的解剖结构椎体（含gyroid填充）证明其复杂形状适配能力。该技术为个性化骨缺损修复提供了兼具临床适用性（可操作植入）和生物功能性（血管化/成骨）的新型解决方案，未来可通过优化微球HA含量（当前30%）和降解速率（PLGA 50:50比例）进一步匹配不同部位骨再生需求。