MXene纳米片增强氧化海藻酸钠-明胶复合水凝胶在3D生物打印骨组织工程中的应用研究

本综述系统探讨了ADA-GEL-MXene复合水凝胶的制备与特性，通过引入导电MXene纳米材料显著提升了水凝胶的电导率（ECHs）和成骨诱导能力，为骨组织工程（TE）提供了可定制理化特性（如机械性能、降解行为）和3D打印适配性的新型生物墨水，展现了电刺激调控细胞行为（如MG-63成骨细胞增殖与分化）的应用潜力。

　　

Materials

实验所用源自Laminaria hyperborea的海藻酸钠（VIVA Pharm, PH176）购自JRS PHARMA GmbH & Co. KG（德国）。透析膜（分子截留量6–8 kDa）和无菌针式过滤器（Rotilabo, PVDF）购自Carl Roth GmbH + Co. KG（德国）。微生物谷氨酰胺转氨酶（ACTIVA WM，酶活性85–135 U g^?1）源自味之素株式会社（日本）。杜尔贝科磷酸盐缓冲液（DPBS，不含CaCl₂和MgCl₂）、汉克平衡盐溶液（HBSS）、明胶（GEL，源自猪皮，类型A）、高碘酸钠（NaIO₄）、氯化钙（CaCl₂）和乙醇均购自Sigma-Aldrich（德国）。MAX相陶瓷Ti₃AlC₂粉末（200目）购自Forsman Scientific（中国）。MG-63细胞系源自德国微生物和细胞培养物保藏中心（DSMZ）。细胞培养试剂包括DMEM高糖培养基、胎牛血清（FBS）、青霉素-链霉素（P/S）和胰蛋白酶-EDTA均购自PAN-Biotech（德国）。Live/Dead染色试剂盒（Calcein-AM/碘化丙啶）和Alamar Blue试剂购自Thermo Fisher Scientific（德国）。

Morphology

图1A展示了ADA-GEL-MXene水凝胶薄膜的光学及扫描电子显微镜图像。随着MXene浓度的增加，光镜图像中可见明显由透明至灰色的颜色变化，证实MXene纳米片成功整合至水凝胶基质中。定性分析显示MXene纳米片存在聚集现象（聚集区域标记可参见附图S1），且随浓度升高，聚集程度加剧。扫描电镜图像进一步揭示了所有水凝胶均呈现多孔网络结构，但孔径随MXene含量增加而减小。未添加MXene的对照组ADA-GEL平均孔径为24.6±3.0 μm，而含5.0 mg/mL MXene的样品孔径降至11.8±1.8 μm。孔径分布变化表明MXene纳米片整合入聚合物网络后增强了交联密度，从而细化孔结构。

Conclusion

本研究系统探讨了MXene填料浓度对水凝胶关键特性（包括形态、溶胀与降解行为、力学与电学性能、3D打印适应性）及与MG-63细胞相互作用的影响。结果表明，通过调控填料浓度可实现水凝胶性能的精准定制——较高MXene浓度下孔径减小、机械性能提升、电导率增强（频率依赖性与直流电导率均显著改善），但细胞相容性呈现浓度依赖性变化：低浓度MXene（0.1–0.5 mg/mL）促进细胞增殖与分化（碱性磷酸酶活性与钙沉积增加），而高浓度（1.0–5.0 mg/mL）因聚集效应导致细胞行为受限。此外，水凝胶展现出优异的3D打印能力，可构建高达10层的网格状支架，并成功作为生物墨水用于MG-63细胞的3D生物打印，为骨组织工程中定制化电活性支架的开发提供了重要参考。