大豆蛋白基数字光处理3D打印生物墨水与支架的开发及生物相容性评估

本研究针对传统DLP（数字光处理）3D打印树脂生物相容性不足的问题，创新性地将大豆蛋白分离物（SPI）与树脂结合，开发出25-50% SPI含量的生物墨水。通过流变学、FTIR和力学测试证实材料性能，并证明含25% SPI和甘油的支架具有96%的细胞代谢活性，为组织工程提供了环保且可定制的新型生物材料。

　　

在生物医学领域，制造兼具复杂结构和生物相容性的组织工程支架一直是重大挑战。传统数字光处理（DLP）3D打印技术虽能实现高精度制造，但其合成树脂常因缺乏生物活性而限制应用。与此同时，每年全球大豆加工业产生大量副产物，如何高效利用这些可再生资源成为可持续发展的重要议题。

针对这些问题，研究人员创新性地将大豆蛋白分离物（SPI）这一天然生物聚合物引入DLP树脂体系，开发出新型生物墨水。通过系统研究25%、40%和50%三种SPI添加比例对材料性能的影响，发现25% SPI配方在保持打印精度的同时，展现出优异的生物相容性——人成纤维细胞（HS27）培养72小时后代谢活性高达96%。该研究不仅为组织工程提供了可定制化支架的新方案，更开创了农业副产物高值化利用的新途径，相关成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》。

研究团队采用流变学分析评估墨水打印适性，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）表征材料相互作用，结合扫描电镜（SEM）观察微观结构，并利用力学测试平台全面评估支架性能。生物相容性实验则通过CCK-8法和活/死细胞染色双重验证。

【3.1 墨水流变学分析】
剪切速率扫描显示所有墨水粘度均低于10 Pa·s，符合DLP打印要求。光流变测试证实SPI的加入使储能模量（G'）和损耗模量（G"）同步提升，表明蛋白质与树脂间存在物理相互作用。

【3.2 支架表征】
形状保真度测试显示含25% SPI的支架能精确复制2 mm孔径设计。FTIR在3275 cm^-1处新出现的羟基峰证实氢键形成，而1406 cm^-1处双键面积计算显示固化度达94%。值得注意的是，SPI含量升至50%时溶胀率可达55%，但部分蛋白质因空间位阻未能有效交联。

【3.3 力学性能】
含25% SPI的圆柱形支架压缩模量为1.12±0.03 MPa，与天然关节软骨（0.41-2.10 MPa）高度匹配。三点弯曲测试显示矩形支架应力值随SPI增加而降低，但25% SPI组仍保持10.24±0.41 MPa的优异性能。

【3.4 增塑剂影响】
添加30%甘油（GLY）后，FTIR显示1050 cm^-1处C-O键强度变化，表明小分子甘油更易与SPI相互作用。虽然压缩应力从1.39 MPa降至1.12 MPa，但仍处于软骨组织工程适用范围。

【3.5 生物相容性】
活/死细胞染色显示，含甘油支架培养7天后细胞汇合度良好，而深共晶溶剂（DES）组因柠檬酸释放导致活性低于60%。代谢活性实验进一步证实，25% SPI+甘油组72小时活性达96.10%，显著优于DES组。

该研究成功证明SPI可作为DLP打印的理想生物材料，其最佳添加量为25%。甘油的引入在保持力学性能的同时显著提升材料柔性，而DES则因酸性问题限制其生物医学应用。这些发现不仅为开发环保型组织工程支架提供新思路，更推动了大豆加工副产物的高值化利用，具有显著的科研价值与产业应用前景。作者Maialen Uribarrena等强调，未来研究可进一步优化SPI与其他天然增塑剂的协同效应，以拓展其在再生医学中的应用范围。