β-三钙磷酸盐/胶原蛋白复合生物墨水的流变学及打印性能研究

《Vacuum》：Study of rheology and printability for β-Tricalcium Phosphate/Collagen Composite bioinks

研究采用喷干燥法制备甘氨酸改性β-TCP粉末，发现30 wt%甘氨酸处理时颗粒尺寸最大（79.97±50.44 μm），显著提升生物墨水粘弹性（188 Pa·s）和屈服应力（10.50 Pa），但高浓度导致细胞毒性，最佳浓度为10 wt%（细胞存活率140.7±2.8%），实现3D打印结构准确性与生物相容性平衡。

　　这项研究聚焦于一种创新的生物墨水制备方法，旨在提高3D生物打印中β-磷酸三钙（β-TCP）粉末的打印性能。β-TCP作为一种广泛应用于骨组织工程的合成材料，因其良好的骨传导性和生物相容性而备受关注。然而，在传统应用中，其在生物墨水中的使用往往受到打印性能和细胞活性之间的平衡限制。为了克服这一挑战，研究团队引入了一种通过喷雾干燥法处理的甘氨酸修饰β-TCP粉末，以优化其形态和流变特性，从而提升生物墨水在3D打印过程中的表现。

研究中，通过调整甘氨酸的浓度（分别为0、5、10和30 wt%），成功实现了β-TCP粉末形态的显著改善。结果显示，随着甘氨酸浓度的增加，β-TCP粉末的平均粒径从27.19 ± 20.47 μm（未添加甘氨酸）增长至79.97 ± 50.44 μm（30 wt%甘氨酸处理）。这一变化不仅影响了粉末的物理形态，还进一步增强了生物墨水的流变行为，使得其在打印过程中具备更好的可控性和结构稳定性。通过流变学分析，研究人员发现30 wt%甘氨酸处理的β-TCP/胶原蛋白生物墨水表现出较高的粘弹性特性，其粘度从75 Pa·s提升至188 Pa·s，而屈服应力则从6.73 Pa增加至10.50 Pa。这些数据表明，甘氨酸的添加显著提高了生物墨水的粘度和结构保持能力，从而有助于实现更精确的打印操作。

在结构精度方面，使用5至10 wt%甘氨酸处理的生物墨水打印出的支架表现出最佳的形态一致性，其长宽比接近设计目标（2.3至1.4）。这一结果对于构建具有复杂几何结构的骨组织工程支架尤为重要，因为支架的结构精度直接影响其在体内模拟天然骨组织的能力。此外，研究还评估了不同浓度甘氨酸处理对细胞活性的影响，发现10 wt%甘氨酸处理的生物墨水在L929成纤维细胞中表现出最高的细胞活性（140.7 ± 2.8%），表明该浓度在提升生物墨水性能的同时，不会对细胞造成明显的毒性影响。相比之下，高浓度甘氨酸处理的生物墨水在体外生物相容性测试中显示出一定的细胞毒性，这可能是由于过量的甘氨酸影响了细胞的代谢环境或生物墨水的稳定性。

在骨组织工程领域，3D生物打印技术因其能够精确控制支架的结构和成分而备受青睐。传统方法如溶胶-凝胶法、喷雾干燥法、喷雾热解法等，虽然能够制备具有特定性能的合成骨材料，但在构建复杂三维结构时仍存在一定的局限性。而3D打印技术则能够直接形成具有复杂几何形状的支架，从而更贴合实际临床需求。然而，生物墨水的流变特性是影响3D打印效果的关键因素之一。低粘度的生物墨水虽然易于打印，但可能缺乏足够的结构支撑力；而高粘度的生物墨水虽然能够提供更好的结构稳定性，但可能在打印过程中导致喷嘴堵塞或结构变形。因此，如何在保持细胞活性的同时，优化生物墨水的流变性能，成为该研究的核心目标。

研究团队通过引入甘氨酸作为修饰剂，成功实现了这一目标。甘氨酸是一种常见的氨基酸，因其分子结构中的极性基团，能够与β-TCP粉末表面发生相互作用，从而改变其形态和分散性。在喷雾干燥过程中，甘氨酸的添加不仅促进了β-TCP粉末的聚集，还使其呈现出更多的片状或扁平形态（Type III），这种形态的粉末在生物墨水中表现出更高的粘弹性。此外，甘氨酸的添加还影响了β-TCP粉末的表面特性，使其在生物墨水中具有更好的分散性和稳定性，从而减少了打印过程中可能出现的团聚现象。这种形态的优化对于提高生物墨水的打印精度和结构完整性至关重要，因为粉末的形状和排列方式直接影响最终支架的机械性能和细胞附着能力。

除了形态的改变，甘氨酸的添加还显著提高了生物墨水的粘度和屈服应力。在3D生物打印过程中，生物墨水需要在喷嘴中保持一定的流动性，以便顺利挤出并形成所需的结构。然而，高粘度的生物墨水可能会导致挤出困难，影响打印速度和结构的均匀性。因此，研究团队在优化过程中发现，甘氨酸的添加能够有效提升生物墨水的粘度，使其在打印过程中具备更好的流变性能。同时，屈服应力的增加意味着生物墨水在受到外力作用时能够更好地保持其结构，减少在打印过程中因机械应力导致的变形或坍塌。这些特性使得甘氨酸处理的β-TCP/胶原蛋白生物墨水在3D打印中表现出更高的适应性，能够满足复杂结构的打印需求。

值得注意的是，甘氨酸的添加浓度对生物墨水的性能有着显著影响。在本研究中，当甘氨酸浓度超过10 wt%时，生物墨水的细胞活性开始下降，表明过量的甘氨酸可能对细胞产生一定的毒性作用。因此，研究团队建议将甘氨酸的添加浓度控制在10 wt%以内，以确保生物墨水在提高打印性能的同时，不会对细胞的生长和功能造成负面影响。这一发现对于实际应用具有重要意义，因为生物墨水的细胞活性是衡量其生物相容性的重要指标。如果生物墨水在打印后无法维持细胞的活性，那么其在体内的应用效果将大打折扣。

此外，研究还通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散光谱（EDS）等手段，对β-TCP粉末的化学组成和形态进行了详细表征。XRD分析结果显示，所有样品均保留了β-TCP的晶体结构，说明甘氨酸的添加并未破坏β-TCP的基本化学特性。而FESEM图像则清晰地展示了不同浓度甘氨酸处理后β-TCP粉末的形态变化，从球形逐渐转变为片状，这种形态的改变进一步解释了生物墨水流变性能的提升。EDS分析则证实了甘氨酸在β-TCP粉末表面的均匀分布，表明其与β-TCP之间的相互作用是有效的。

在实际应用中，这种优化后的生物墨水不仅可以用于构建具有复杂结构的骨组织工程支架，还能够通过调整甘氨酸的浓度来实现对不同应用场景的适应。例如，在需要更高结构稳定性的场景中，可以适当提高甘氨酸的浓度；而在需要保持较高细胞活性的情况下，则应控制甘氨酸的添加量。这种灵活性使得该方法在骨组织工程领域具有广泛的应用前景。

总的来说，这项研究为3D生物打印中β-TCP粉末的使用提供了新的思路。通过甘氨酸的修饰，研究人员成功提升了β-TCP粉末的形态和流变性能，使其在生物墨水中表现出更好的打印效果和细胞兼容性。这一成果不仅有助于解决传统β-TCP材料在生物墨水中的应用难题，还为未来开发更高效的骨组织工程支架提供了理论和技术支持。此外，研究团队还强调了在生物墨水制备过程中，粉末形态工程与生物墨水配方优化的结合，是提升支架精度和功能性的关键。这种多学科交叉的方法，有望推动3D生物打印技术在骨组织工程中的进一步发展和应用。