三维生物打印明胶甲基丙烯酰支架：鼻细胞培养与药物测试的多功能平台

针对传统二维鼻上皮细胞模型无法模拟体内复杂微环境的问题，研究人员开发了基于三维生物打印的明胶甲基丙烯酰（GelMA）支架，嵌入RPMI-2650鼻上皮细胞构建新型药物测试平台。该支架展现出优异的生物相容性（细胞存活率>95%）、可控膨胀行为及促进细胞三维生长的能力，活细胞覆盖率两周内增加5倍。此研究为鼻黏膜药物渗透评估和鼻腔给药系统开发提供了更接近生理的体外模型，符合FDA现代化法案2.0对非动物模型的需求。

　　

在药物研发领域，传统二维（2D）细胞培养模型长期面临“生理相关性不足”的困境——这些单层细胞无法模拟人体组织复杂的三维（3D）结构和细胞外基质（ECM）相互作用。这一问题在鼻腔给药研究中尤为突出：鼻上皮的黏液屏障、多细胞分层结构以及动态药物吸收特性，使得2D模型难以准确预测药物渗透和疗效。据统计，约90%的鼻腔给药临床前研究仍依赖动物实验或Transwell单层模型，导致临床转化成功率不足20%。

为突破这一瓶颈，研究人员在《International Journal of Pharmaceutics》发表了一项创新研究。他们巧妙利用明胶甲基丙烯酰（GelMA）这种可光交联的生物材料，通过数字光处理（DLP）3D生物打印技术，构建了负载RPMI-2650鼻上皮细胞的仿生支架。GelMA因其含有细胞粘附位点和基质金属蛋白酶（MMP）响应肽段，能模拟天然ECM的力学和生化特性。研究团队通过计算机辅助设计（CAD）制作了直径10mm、厚度200μm的七联圆盘支架，采用405nm紫外光固化，最终获得兼具结构稳定性和细胞相容性的3D模型。

关键技术方法
研究采用Lumen X 3D生物打印机完成GelMA支架制备，通过核磁共振（NMR）测定80%甲基丙烯酸化度；流变学测试验证生物墨水剪切稀化特性；活/死细胞染色（Calcein-AM/EthD-1）和MTS法评估细胞活性；荧光示踪剂（0.376-70kDa）渗透实验模拟药物扩散；动态监测14天内细胞覆盖率和球体形成情况。

研究结果

3.1 支架表征
CAD设计的七联支架可实现批量打印，80%甲基丙烯酸化度赋予其高机械强度。流变学显示含细胞（1×10⁶/mL）的GelMA仍保持剪切稀化特性（p>0.05），适合生物打印。

3.2 生物相容性
MTS检测显示含0.1%光引发剂LAP的GelMA组细胞存活率达95.67±12.68%，与对照组无显著差异（p>0.05），而Triton X-100阳性对照组存活率骤降至25.46%。

3.3 膨胀行为
含细胞支架在培养基中5天膨胀率达562.09±99.42%，显著高于无细胞支架（188.79±40.46%，p<0.05），表明细胞分泌物质可改变基质亲水性。

3.4 细胞增殖
14天后，细胞形成直径增大2.57倍的球体（p<0.05），活细胞覆盖率从4.49%提升至22.53%（5.02倍增长，p<0.05），Z-stack成像证实细胞均匀分布。

3.6 药物渗透模拟
荧光示踪实验揭示分子量依赖性渗透：376Da小分子2小时渗透率达84.43±9.66%，而70kDa大分子在含细胞支架中渗透率提升至19.81±3.15%（p<0.05），提示细胞重塑了支架孔隙率。

重要意义
该研究首次将3D生物打印GelMA支架应用于鼻药物测试领域，其创新性体现在三方面：

1. 生理仿真性：支架膨胀特性和细胞诱导的孔隙变化，精准模拟了鼻黏膜的水合状态和分子筛效应；
2. 技术兼容性：模块化设计兼容标准24孔板，可直接对接高通量筛选平台；
3. 转化价值：为鼻-脑递药、疫苗开发等研究提供符合FDA现代化法案的替代方案。

未来通过整合嗅神经细胞或免疫细胞共培养，该平台有望成为研究鼻腔-中枢神经通讯的“全功能模拟器”。正如讨论部分强调，这种“设计-打印-验证”的研究范式，或将重塑呼吸道疾病治疗药物的开发路径。