通过粘度调控与羟基磷灰石复合增强低浓度GelMA可打印性及其骨组织工程应用研究

针对低浓度GelMA（明胶甲基丙烯酰基）生物墨水打印性能不足的问题，研究人员通过引入甲基化羧甲基纤维素（mCMC）调控流变特性，并复合纳米羟基磷灰石（nHAp）增强骨仿生功能。该复合水凝胶刚度提升7倍、屈服应力提高17倍，且显著促进人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）碱性磷酸酶（ALP）表达（分化培养基中达5.8倍），为骨组织工程提供了兼具高打印性与生物活性的新型生物墨水。

　　

在组织工程领域，3D生物打印技术被寄予厚望，但如何开发既能精确成型又具备生物活性的生物墨水仍是重大挑战。传统水凝胶如明胶甲基丙烯酰基（GelMA）虽具有细胞相容性，但低浓度时机械强度差、打印成型困难，难以满足骨组织修复需求。这一瓶颈严重制约了复杂人工组织的临床转化。

印度科学工程研究委员会（SERB）和德国德累斯顿工业大学（Technical University of Dresden）的研究团队在《Bioprinting》发表的研究中，创新性地将甲基化羧甲基纤维素（mCMC）与纳米羟基磷灰石（nHAp）引入5%低浓度GelMA体系。通过流变学改性使复合水凝胶获得类骨ECM（细胞外基质）特性，其压缩模量提升7倍，降解速率降低4倍，并显著促进成骨分化。该研究为骨缺损修复提供了兼具高保真打印与生物诱导功能的新型解决方案。

关键技术包括：1）通过核磁共振（¹H NMR）和傅里叶红外光谱（FTIR）验证材料修饰；2）系统测试3%-20% GelMA的流变学与打印参数；3）采用患者来源的hBMSCs和hOBs（人成骨细胞）进行21天增殖与ALP活性检测。

【材料与结果】
通过调控GelMA交联密度（3%-20%），研究发现低浓度（5%）时虽利于细胞迁移但结构稳定性差。引入mCMC后剪切稀化指数提升2.3倍，实现高精度挤出打印；复合nHAp的体系在分化培养基中使hBMSCs的ALP表达达纯GelMA的5.8倍，证实其成骨诱导优势。

【讨论与结论】
该研究首次建立GelMA交联密度与生物物理特性的定量关系，突破低浓度墨水打印瓶颈。nHAp-GelMA/mCMC复合体系通过模拟骨ECM的力学-化学双重信号，为个性化骨组织构建提供新范式。未来可进一步探索其在血管化大尺寸骨缺损中的应用潜力。