生物活性玻璃与氧化钙纳米颗粒增强海藻酸盐水凝胶的3D打印及其在组织工程中的应用

本研究针对海藻酸盐(Alg)基水凝胶机械性能弱、生物活性不足等问题，通过引入生物活性玻璃(BG)和氧化钙(CaO)纳米颗粒，开发出具有优异力学性能(拉伸强度从105 kPa提升至185 kPa)和生物相容性(细胞存活率90%)的3D打印支架。该研究为组织工程(TE)提供了兼具抗菌性(对大肠杆菌显著有效)和促细胞黏附(接触角从63°降至37°)的新型生物墨水解决方案。

　　

在组织工程领域，如何构建既具备复杂三维结构又能模拟天然组织力学特性的支架，一直是科学家们面临的重大挑战。海藻酸盐(Alg)作为一种天然多糖，虽然具有优异的生物相容性和可打印性，但其固有的低机械强度和有限的生物活性严重制约了其在承重组织修复中的应用。传统解决方案如添加纤维素纳米纤维或合成聚合物，往往以牺牲生物活性为代价。

针对这一瓶颈，来自未知机构的研究团队在《Bioprinting》发表了一项创新性研究。他们巧妙地将两种无机纳米材料——生物活性玻璃(BG)和氧化钙(CaO)纳米颗粒引入Alg-明胶(Gel)体系，通过3D打印技术制备出性能显著提升的复合支架。研究发现，当BG与CaO以50:50比例组合时，支架拉伸强度提升76%，同时接触角降低41%，细胞存活率维持在90%以上。更引人注目的是，该材料对大肠杆菌展现出强效抗菌性，为感染风险高的组织修复场景提供了双重保障。

研究团队采用三大关键技术：一是溶胶-凝胶法制备BG和CaO纳米颗粒；二是通过预交联和组分优化(7%Alg+2%Gel)开发可打印生物墨水；三是基于挤出式3D打印构建多孔支架。抗菌测试采用标准菌株，细胞实验则通过直接培养评估生物相容性。

【Materials】部分显示，研究选用Sigma-Aldrich提供的Alg和Gel作为基质材料，通过精确控制TEOS（正硅酸乙酯）和Ca(NO₃
)₂
·4H₂
O（硝酸钙四水合物）的水解过程合成纳米颗粒。

【Results and Discussion】揭示了四大发现：1) 流变学测试表明纳米颗粒添加使墨水具有理想的剪切稀化行为；2) 力学测试显示50:50组支架弹性模量最优；3) 表面润湿性改善显著促进细胞铺展；4) 抗菌实验证实CaO对革兰氏阴性菌更具杀伤力。

【Conclusion】强调该研究实现了三大突破：首次在Alg基墨水中协同应用BG与CaO；建立了打印参数-性能关系模型；开发出同时满足机械强度、生物活性和抗菌需求的新型支架。这种"一材多效"的设计策略，为骨软骨等承重组织再生提供了新思路。

论文由Mahsa Mohammadzadeh和Majid Goli等学者共同完成，所有作者均声明无利益冲突。该工作不仅推进了生物墨水的功能化设计，更为组织工程产品的临床转化提供了重要参考。