3D打印琼脂糖/聚乙二醇二丙烯酸酯/纳米羟基磷灰石复合水凝胶的制备及其在软骨组织工程中的应用研究

【编辑推荐】针对关节软骨损伤修复难题，伊朗伊斯法罕理工大学团队通过3D打印技术开发了琼脂糖(agarose)/聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)/纳米羟基磷灰石(nHA)复合水凝胶支架。研究采用Taguchi法优化参数，证实nHA可显著提升支架流变性能（剪切稀化行为）、机械强度（压缩模量提升）及生物稳定性（溶胀率从291%降至176%），并实现95.6%的L929细胞存活率，为软骨再生提供了兼具可打印性、力学适配性和生物相容性的新型工程化解决方案。

　　

关节软骨作为无血管的承重组织，在运动缓冲中起着关键作用，但其自我修复能力极其有限。骨关节炎、运动损伤或肿瘤等因素导致的软骨缺损，目前临床主要通过关节置换或自体软骨细胞移植（ACT）治疗，但存在供体不足、免疫排斥和假体寿命短等问题。尽管组织工程为软骨再生提供了新思路，传统水凝胶支架仍面临机械强度不足、降解不可控和生物活性欠缺等挑战。

为突破这些限制，伊朗伊斯法罕理工大学的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表研究，创新性地将天然多糖琼脂糖(agarose)与合成聚合物聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)结合，并引入纳米羟基磷灰石(nHA)增强，通过挤出式3D打印技术构建了具有互穿网络结构(IPN)的复合水凝胶支架。研究采用Taguchi实验设计优化打印参数，系统评估了nHA浓度对支架流变性能、力学特性和细胞相容性的影响，最终获得兼具高打印精度、力学适配性和生物活性的软骨修复材料。

关键技术方法包括：1）基于Taguchi法的参数优化实验设计；2）挤出式3D打印工艺调控；3）流变学测试评估剪切稀化行为；4）傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析材料相互作用；5）场发射扫描电镜(FESEM)观察微观结构；6）体外溶胀/降解实验；7）L929细胞培养评估生物相容性。

材料与支架制备
通过将2-羟乙基琼脂糖(Type VII)与PEGDA(MW 700 Da)共混，加入光引发剂Irgacure2959紫外交联，并分散nHA纳米颗粒(<50 nm)形成均质前驱体溶液。乙酸作为nHA分散溶剂，确保纳米颗粒均匀分布。

Taguchi设计与3D打印优化
针对琼脂糖浓度(1-3% w/v)、打印压力(80-120 kPa)和速度(5-15 mm/s)等参数，采用L9正交阵列优化。结果显示2%琼脂糖配合100 kPa压力、10 mm/s速度时，支架的丝径均匀性和层间粘附最佳，打印误差<5%。nHA的加入显著改善墨水剪切稀化特性，使挤出粘度下降42%，回弹性提升1.8倍。

物化性能表征
流变测试表明3% nHA组储能模量(G')达12.5 kPa，较纯琼脂糖/PEGDA提升210%。XRD证实nHA的(002)晶面衍射峰位移，提示与聚合物基体的氢键相互作用。FTIR显示琼脂糖-OH与nHA的PO₄^3-形成新氢键网络，FESEM显示nHA使孔径从150±25 μm减小至80±15 μm，孔隙率仍保持85±3%。

生物稳定性与细胞响应
含3% nHA的支架24小时溶胀率降至176%（对照组291%），14天降解率从66%降至60%。L929细胞培养5天后存活率达95.6%，细胞在支架表面形成密集伪足结构，表明优异的粘附性能。

该研究首次证实琼脂糖/PEGDA/nHA三元体系通过3D打印可构建具有梯度孔径和力学性能的仿生支架。nHA不仅作为物理交联点增强力学性能，还通过调控聚合物链运动延缓水分渗透，实现降解速率与软骨再生时间的匹配。未来研究可进一步探索该支架对软骨细胞分化的调控机制，并通过动物实验验证其在体性能。这项工作为开发兼具可定制性、生物活性和长期稳定性的软骨修复材料提供了新范式。