基于聚合物网络工程的水凝胶生物墨水用于皮肤再生：从分子设计到自适应生物制造

《Polymers》：Polymer Network Engineering of Hydrogel Bioinks for Skin Regeneration: From Molecular Design to Adaptive Biofabrication

　　

三维（3D）生物打印在重建皮肤的结构与生物学复杂性方面具有显著潜力，然而其再生性能与临床转化受制于水凝胶生物墨水难以同时实现可打印性、结构稳定性与组织重塑这一挑战。本综述将文献计量学分析与以聚合物为中心的功能性水凝胶生物墨水评估相结合，聚焦于皮肤组织工程与创面再生领域。除聚合物组成本身外，本文还讨论了分子特征、交联化学与网络结构如何共同决定生物墨水性能与再生功能。近期研究表明，动态交联、互穿网络以及杂化或纳米复合设计能够改善可打印性与打印后稳定性之间的平衡，同时调控传输、降解与细胞-材料相互作用。重要的是，这些材料属性并非相互独立的设计目标，它们在机制上与生物墨水调控创面微环境、支持血管化以及促进细胞外基质（ECM）重建的能力相关联。尽管新兴生物制造策略拓展了上述功能，但其对聚合物流变学、交联动力学与动态网络适应性的精确调控提出了更严格的要求。尽管进展迅速，向临床应用的转化仍受限于生物学保真度不足、重现性差以及标准化制造与监管标准的缺乏。因此，研究人员提出未来生物墨水开发应从经验性配方转向预测性与自适应聚合物体系，在其中同步考虑网络设计、生物学功能与制造需求。这一结构-性能-功能视角为开发具有更优再生效能与转化潜力的下一代聚合物生物墨水提供了合理框架。

本文围绕水凝胶生物墨水用于皮肤再生这一主题，从聚合物网络工程视角展开系统评述，主体内容可概括如下。

1. 1.
   Introduction。皮肤作为机体抵御环境损伤的首要屏障，在免疫防御、体温调节与感觉感知中发挥关键作用。严重烧伤、创伤、糖尿病及慢性溃疡所致的大面积皮肤缺损常导致愈合延迟、感染、过度瘢痕形成与功能恢复不全。现有敷料、自体移植与工程化替代物受限于供体组织可得性、免疫相容性、血管化不足及难以完全恢复天然皮肤的结构与功能复杂性。三维（3D）生物打印通过将生物材料、活细胞与生物活性组分精确沉积于预设结构，为构建仿生皮肤替代物提供了有力手段，但其性能高度依赖所选生物墨水。水凝胶生物墨水因高度水合的网络的网络类似天然细胞外基质（ECM），成为皮肤组织工程的主流选择，并可由被动细胞载体转变为可调控创面微环境的功能平台。作者指出，既有综述多聚焦打印技术、材料类别或特定功能重建，较少关注连接材料结构与生物墨水性能及生物学结局的聚合物网络原理，故本文采用以聚合物为中心的视角，并借助文献计量学刻画领域演化。
2. 2.
   Materials and Methods。文献检索于Web of Science核心合集（WoSCC）与Scopus两个数据库完成，检索完成时间为2026年9月8日，未设发表年份下限，检索式涵盖生物墨水、3D/4D生物打印、水凝胶、皮肤再生、创面愈合与皮肤组织工程等主题词。合并去重后，经题目与摘要筛选及全文评估确定纳入文献，流程以PRISMA 2020流程图呈现：两库分别检索到738条与602条记录，经文献类型、语言与相关性筛选后余1227条，去除256条重复记录后，971篇唯一文献纳入文献计量学综合分析。数据提取涵盖聚合物设计、网络结构、生物墨水性能、生物学功能、生物制造策略与皮肤再生应用，并在结构-性能-功能框架内进行定性综合。文中亦声明使用生成式人工智能工具仅辅助文本组织与语言润色及部分图形元素制作，未用于文献筛选、文献计量或统计分析、数据生成与最终科学解释。
3. 3.
   Bibliometric Landscape。发表趋势显示，该领域近十年显著扩张：2012—2015年发文量较少，2016年后稳步增长，2020年以来增长明显，2022年年发文量超过100篇，至2026年9月8日已接近2025年全年总量。引文趋势受高被引综述影响，2014年平均引用异常偏高，早期研究亦因引用窗口较长而累积更多引用。全球合作网络显示中国与美国为主要贡献者，伊朗、印度、英国等亦有参与，国家层面联系密集；机构层面呈更明显的聚类结构，中国科学院处于中心位置，提示跨机构合作仍有加强空间。期刊分布体现强交叉学科特征，Nature Biotechnology总被引最高（TC = 5463），主要归因于单篇高被引论文，International Journal of Biological Macromolecules发文量最高（61篇）且H指数最高（27）。关键词共现分析显示研究格局以水凝胶、组织工程、3D生物打印、生物墨水与创面愈合为中心，近期对血管化、慢性创面与再生医学的关注上升，自愈合、刺激响应性、抗菌活性与控释等术语的出现提示多功能与自适应生物墨水体系的兴起。主题演化图进一步表明，2012—2023年以材料配方、生物打印与创面愈合为主，2024—2025年更强调再生功能，2026年药物递送与糖尿病创面愈合等主题更为突出。作者据此将聚合物生物墨水的演化概括为结构基质→生物活性基质→自适应再生体系的递进。
4. 4.
   Polymer Molecular Design and Network Architecture。水凝胶生物墨水性能源于聚合物分子特征与网络结构之间的层级相互作用。分子层面，分子量、链结构、浓度、官能化、亲水性与电荷决定网络形成的起始条件，其效应常相互耦合。分子量与链结构主要通过改变链重叠、缠结与迁移性影响前驱体行为，且强烈依赖浓度；例如戊烯酸酯官能化透明质酸分子量由1升至1.5 MDa可使获得最佳形状保真度所需聚合物浓度由8 wt%降至4 wt%；在4%（w/w）固定浓度下，高分子量海藻酸盐表现出更高的零剪切黏度与更连续的纤维。聚合物浓度可同时重塑力学、水合、降解与细胞行为，如GelMA由3%增至7%使可打印性参数由0.30 ± 0.10升至0.72 ± 0.03；GelMA由5%增至20%（w/v）使压缩模量由3 ± 1升至108 ± 8 kPa，溶胀比由1476 ± 28%降至470 ± 9%。反应基密度直接控制网络形成，GelMA甲基丙烯酰化度由49.8%升至63.8%与73.2%时，压缩模量由2.0 ± 0.18升至3.2 ± 0.18与4.5 ± 0.33 kPa，平均孔径由49.7 ± 11.8降至30.13 ± 6.12与23.6 ± 5.85 μm，但细胞存活、增殖与血管网络形成随之下降。亲水性与电荷则作为情境依赖的调节因素影响水合与生物分子-基质相互作用。

网络形成化学方面，永久共价交联提供接近不可逆的结构稳定性，但提高交联密度常同时改变多种网络属性；研究显示在表观刚度相近条件下，网孔结构可独立影响细胞铺展、迁移与YAP核定位；在GelMA/PEGDA体系中刚度与网孔尺寸同步变化时，内皮出芽呈非单调响应。动态共价网络依赖可逆键的解离与重组，其行为取决于键交换动力学；在腙交联的透明质酸-类弹性蛋白（HELP）生物墨水中，加入小分子竞争剂可使模量降低达两个数量级，而含20 mM竞争剂配方仍可在30 min内成胶，催化剂可加速腙交换并增强剪切变稀。超分子交联通过可逆非共价相互作用支持挤出剪切变稀与沉积后结构恢复，其适用性应依据打印、结构与生物学综合性能评估，而非单一流变或力学指标。

网络拓扑与层级结构方面，互穿聚合物网络（IPN）与半互穿网络（semi-IPN）使不同聚合物相承担互补功能，如Gel-HDA/GelMA IPN的溶胶-凝胶转变温度为30 °C（GelMA为27 °C），通过配比可将压缩模量由20.6 ± 2.48调至116.7 ± 14.80 kPa。双网络（DN）与多网络结构将能量耗散与结构支撑耦合，可光交联透明质酸网络增强的动态共价水凝胶经光致硬化使模量提高约300%、支架侵蚀减少约70%。聚合物-纳米复合网络引入纳米组分产生附加结构与功能相互作用，如由GelMA、κ-卡拉胶与纳米硅酸盐构成的NICE生物墨水压缩模量达71.1 ± 4.9 kPa（GelMA单独为16.5 ± 1.5 kPa），储能模量由3.1 ± 0.3升至14.2 ± 1.4 kPa，挤出后细胞存活率>85%。网络动力学与重塑方面，应力松弛可独立于初始刚度调控细胞行为，海藻酸盐体系将应力松弛半时间由约1 h缩短至1 min，在约9 kPa初始模量下显著促进成纤维细胞铺展与增殖（p < 0.0001）。聚合物平台方面，天然聚合物提供可识别的生物学基序与酶降解性，但力学稳定性与可打印性有限；合成聚合物可精确控制分子结构、交联与重现性，但缺乏内在生物识别；杂化平台整合二者优势，其有效性取决于组分网络间受控的相互作用与相容性。作者强调，现有文献常在多个变量同时改变时将性能改善归因于“网络优化”，未来应解耦变量并建立定量结构-性能-功能关系。

1. 5.
   Multidimensional Property Engineering of Polymer Bioinks。生物墨水性能由流变学、力学、传输、降解、细胞-材料相互作用与生物活性等相互依赖的属性共同决定。流变学与可打印性方面，壳聚糖墨水中3%配方在100 s^?1剪切后即时黏度为663 ± 95 Pa·s，约为2%配方（66 ± 15 Pa·s）的十倍，纤维尺寸与连续性随浓度与打印速度变化，剪切历史亦影响构建体力学。PEO-壳聚糖-PMMA生物墨水在37 °C、25–50 kPa与500–550 Pa·s黏度范围内实现可重复挤出，细胞存活率达92%。网络增强可改善形状保持但可能降低孔隙率与生物可及性。力学与黏弹性方面，仅凭弹性模量不足以描述力学行为，韧性、延展性、黏弹性与重塑能力共同决定结构完整性与细胞许可性；猪皮源dECM浓度由1增至5 mg mL^?1使储能模量由约10升至1000 Pa，却显著抑制成纤维细胞浸润。传输、溶胀与降解方面，GelMA-HAMA与adECM-GelMA-HAMA生物墨水的溶胀指数随时间上升，adECM的加入同时增大孔径并提高抗酶解能力；明胶/海藻酸盐体系中降解呈非线性，中间配方长期质量保持最佳；单组分GelMA则呈明确的浓度依赖抗降解性。细胞-材料相互作用方面，RGD修饰海藻酸盐可维持细胞活力并促进整合素聚集，5%较2% RGD官能化海藻酸盐在day 5的成纤维细胞增殖更高（0.19 ± 0.03 vs. 0.14 ± 0.01，p = 0.001）；在固定2 mM RGD的双交联果胶墨水中，Ca²⁺由6增至10 mM使应力松弛时间由约470缩短至248 s，而弹性模量变化有限，快松弛基质中成纤维细胞约24 h内铺展并形成互联网络。生物活性与时空信号呈递方面，肝素官能化生物墨水可实现血管内皮生长因子（VEGF）持续释放达21天；核-壳打印结构可调控VEGF与血小板衍生生长因子（PDGF）的释放顺序。作者指出，最可打印的墨水未必生物学最优，应寻求应用特异的“制造-再生窗口”。
2. 6.
   Functional Hydrogel Bioinks for Skin Regeneration。正常创面愈合包括止血、炎症、增殖与重塑阶段，严重损伤与慢性创面常打乱该序列。功能生物墨水设计应以限制愈合的主要病理障碍为导向，将感染、氧化与炎症应激、血管化不足及组织重建缺陷转化为聚合物网络的功能需求。抗菌方面，负载超顺磁氧化铁纳米颗粒（SPIONs）的GelMA墨水在200与500 μg/mL下使金黄色葡萄球菌发光分别降低约31%与45%，但500 μg/mL显著降低day 14成纤维细胞活力，200 μg/mL综合平衡最佳；载银GelMA呈剂量依赖抗菌效应，100 mg/L纳米银显著抑制成纤维细胞增殖；载环丙沙星明胶/海藻酸盐支架5 min内释放约70%，24 h内对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌抑制近100%。免疫调节与氧化还原调控方面，3D-NEBS将聚多巴胺-镓-精氨酸纳米颗粒引入氧化银耳多糖、羧甲基壳聚糖与鱼明胶复合水凝胶，可降低细胞内活性氧（ROS），下调iNOS与CD86、上调Arg-1与CD206，降低肿瘤坏死因子α（TNF-α）与白细胞介素6（IL-6）、升高IL-10与转化生长因子β1（TGF-β1），糖尿病大鼠day 14创面闭合率达92.79 ± 0.39%。血管生成方面，GH/HepMA墨水实现VEGF持续释放21天，促进人脐静脉内皮细胞（HUVEC）增殖、迁移与毛细血管样网络形成，并支持胶原I/III沉积；作者强调血管化评估应超越内皮标志物与微血管密度，纳入网络连通性、管腔形成、血管成熟与功能灌注。ECM仿生与再生方面，将重组人III型胶原（rhCol3）引入GelMA构建全层人皮肤等效物，优化配方含7.5 wt% GelMA与至多3.2 wt% rhCol3，挤出后细胞活力约90%，day 3角质形成细胞接近完全汇合，表皮层约40 μm，全层大鼠创面模型中day 14闭合率约94%，组织学见新生胶原沉积与新生毛囊。
3. 7.
   New Biofabrication Strategies。挤出式生物打印仍为主导，但速度、分辨率与结构复杂性受限。多材料与同轴生物打印可在单一构建体内空间组织不同生物墨水或细胞群，同轴打印可生成核-壳或中空纤维，用于血管化构建，其挑战在于相邻墨水相容性与核-壳界面稳定控制。基于光的生物打印包括数字光处理（DLP）与体积打印，可快速高分辨成型，但受光衰减与散射、低黏度前驱体预交联稳定性不足限制。原位生物打印可直接将载细胞或生物活性墨水沉积于解剖缺损，适用于不规则创面，但面临无菌维持、患者运动补偿、生理条件下均匀交联及光引发剂毒性等挑战。四维（4D）生物打印通过刺激响应聚合物与空间编程网络结构编码打印后宏观形状或功能变化，如海藻酸盐与透明质酸基形状变形水凝胶可自发形成接近小血管尺寸的中空管状结构，温敏4D打印敷料可改善对不规则创面的贴合；但其在皮肤再生中仍处早期，形变受局部生理条件与力学约束影响。人工智能（AI）辅助过程控制与自动化生物制造可将墨水属性与打印条件关联至结构结局，并通过计算机视觉与过程传感实现实时闭环控制，但多数系统依赖小型实验室数据集，跨平台可迁移性有限。
4. 8.
   Obstacles to Clinical Translation。生物复杂性与功能重建方面，天然皮肤由表皮与真皮、血管网络、免疫细胞、神经结构与附属器构成，现有策略尚不足以实现完全功能性再生，成熟灌注血管与宿主循环整合、协调免疫反应以及毛囊、汗腺、色素单元与感觉神经重建仍是难点。生物墨水标准化与关键质量属性（CQAs）方面，天然聚合物批次间差异可影响网络形成、可打印性、降解与生物学性能，需建立符合良好生产规范（GMP）的制造工艺与产品特异放行标准；含活细胞产品不宜终端灭菌，无菌保证依赖原料处理、经验证的无菌工艺与微生物检测。细胞来源与生物安全性方面，自体角质形成细胞与成纤维细胞免疫相容性好但需侵入性取材与长期扩增，同种异体与干细胞来源可提高可得性但带来基因组稳定性、非预期分化与异常增殖等安全性考量，需长期随访。GMP兼容制造、过程控制与重现性方面，需预设材料规格、验证生产程序与记录过程控制，自动化制造与原位监测可减少操作者依赖变异。监管分类与临床验证方面，无细胞构建体可能适用医疗器械路径，含活细胞构建体可能归入生物制品或组织工程产品框架，兼具细胞与器械组分的产品可能需组合产品监管；美国依据主要作用模式确定牵头审评中心，欧盟对含工程化细胞或组织的产品另有规定（原文此处内容不完整）。