蒸汽灭菌对纳米纤维素/藻酸盐水凝胶流变特性、可打印性及生物活性的影响及其在3D生物打印中的应用研究

本研究针对3D生物打印中天然水凝胶灭菌后性能易受损的临床转化难题，西班牙科尔多瓦大学BioPrEn团队系统评估了蒸汽灭菌(121°C, 15min)对CNF/藻酸盐(1-3% w/v)复合水凝胶的影响。通过流变学测试、高精度打印评估(孔隙因子0.75-0.88)和hBMMSCs培养证实，3%藻酸盐配方在灭菌后仍保持>1000Pa的储能模量(G′)和>90%细胞活性，为组织工程提供了兼具灭菌耐受性、结构精确性和生物相容性的即用型生物墨水解决方案。

　　

在组织工程领域，天然水凝胶因其优异的生物相容性和类细胞外基质特性备受青睐，但临床转化面临关键瓶颈——常规灭菌过程会破坏其物理化学性质。特别是3D生物打印常用的纳米纤维素(CNF)/藻酸盐复合水凝胶，高温灭菌可能导致聚合物链断裂、交联网络解体，进而影响打印精度和细胞微环境。现有研究多聚焦非灭菌条件下的性能优化，对灭菌-打印-生物功能的协同机制认知不足，严重制约了临床级生物墨水的开发。

西班牙科尔多瓦大学化学工程系BioPrEn研究组在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》发表的研究，创新性地将灭菌工艺纳入生物墨水开发全流程。研究人员采用小麦秸秆提取的TEMPO氧化纳米纤维素(TOCNF，直径6nm)与不同浓度(1-3% w/v)藻酸盐复合，通过优化蒸汽灭菌参数(121°C, 15min)，结合流变学表征、高分辨率打印评估(孔隙因子、完整性因子等)和人骨髓间充质干细胞(hBMMSCs)三维培养，系统解析了灭菌耐受性-可打印性-生物功能的平衡关系。

关键技术包括：(1)通过ISO 11737-1:2018标准验证灭菌效果，确保微生物<10 CFU/g且内毒素<10 EU/g；(2)采用平行板流变仪分析G′/G″模量和触变恢复；(3)基于REGEMAT 3D生物打印机评估打印精度(3D偏差<25%)；(4)Live/Dead和XTT法监测14天细胞行为。

3.1 流变性能

灭菌后1.5%和3%藻酸盐配方保持G′>1000Pa的弹性主导特性，tanδ值0.12-0.45表明抗脱水收缩能力。3%配方在100s内恢复90%结构强度，显著优于纯CNF的70%。

3.2 可打印性

3%藻酸盐组打印精度达75%(孔隙尺寸)和0.88(孔隙因子)，10层支架完整性因子>0.9。共聚焦显微镜显示其表面粗糙度比纯CNF降低42%。

3.3 生物相容性

所有灭菌配方支持hBMMSCs存活率>90%，但3%藻酸盐组细胞呈球形均匀分布，而纯CNF中细胞沿纤维取向生长。XTT显示14天时增殖差异显著：CNF组增长92%，而3%藻酸盐组仅44%，可能与缺乏RGD整合素结合位点有关。

该研究首次证实蒸汽灭菌可用于临床级CNF/藻酸盐生物墨水的制备，3%藻酸盐浓度在灭菌稳定性(微生物灭活率100%)、打印分辨率(层间偏差<10%)和长期结构维持(14天厚度变化<5%)间取得最佳平衡。尽管高藻酸盐含量可能通过机械约束限制细胞增殖，但为骨组织工程等需要长期尺寸稳定性的应用提供了新思路。研究建立的"灭菌-流变-打印-生物学"多维评价体系，为天然聚合物生物墨水的标准化开发提供了重要范式。