生物打印正在通过制造能够复制天然组织（如骨骼和软骨）的结构复杂性和生物特性的3D结构，从而重塑肌肉骨骼再生的策略（Gaglio, Baruffaldi, Pirri, Napione, & Frascella, 2024; Pecorini et al., 2025; Ullah et al., 2020）。与传统移植策略不同——后者通常受到较差的整合性、免疫排斥或可用性限制——生物打印可以对细胞、生物材料和生物活性因子进行精确的空间控制，从而创建支持组织再生的仿生结构（Mirshafiei, Rashedi, Yazdian, Rahdar, & Baino, 2024; Nanda, Behera, Pattnaik, & Behera, 2025）。这项技术的核心是聚合物水凝胶，它们不仅作为可打印的生物材料（即墨水），还作为替代的细胞外基质（ECM），在缺陷部位输送细胞，并提供结构支持和指导分化和成熟的生化信号（Lu et al., 2024; Mendoza-Cerezo et al., 2024）。
尽管取得了快速进展，但开发出具有适合制造骨组织结构特性的生物墨水（即载有细胞的生物材料墨水）仍然具有挑战性。在基于挤出的生物打印中，为可打印性和形状保真度优化的材料往往缺乏促进骨骼形成所需的机械强度和骨传导性（Cui et al., 2020; Placone & Engler, 2018）。相反，高度支持细胞功能和ECM合成的材料往往无法提供多层打印的稳定性和长期的矿化。填补这一空白需要多功能配方，结合可打印性、机械完整性和骨传导能力。
明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）由于其胶原衍生的生物活性和可调的光交联性，是生物打印中最广泛使用的水凝胶之一（Fu, Hai, Zhong, & Sun, 2024; He et al., 2023）。然而，单独使用GelMA并不理想适用于骨组织应用：在低聚合物浓度和低甲基丙烯酸化程度下，预凝胶粘度降低限制了打印保真度；而高浓度和高的交联密度虽然提高了稳定性，却牺牲了营养物质的扩散和细胞的存活率（Qiang et al., 2025; X. Wang et al., 2024）。虽然GelMA水凝胶的柔软和顺应性适合软组织应用，但其有限的机械稳定性常常限制了长时间的细胞培养和矿化。
通过加入天然或合成材料来增强GelMA的性能是一种广泛采用的策略，其中从红藻中提取的硫酸化多糖κ-卡拉胶（κCGN）成为一个特别有前途的候选材料（Cui et al., 2020; Gan et al., 2023; Yichuan Wang, Zhang, Gao, Yuan, & Mao, 2023）。其带负电荷的硫酸基团模拟了糖胺聚糖（GAGs），有助于蛋白质吸附、离子交换和磷酸钙的成核（Kumari, Mondal, Tyeb, & Chatterjee, 2024; Yuting Wang, Zhang, & Wang, 2021; H. Zhang et al., 2025）。κCGN在低聚合物浓度下形成的热可逆凝胶可以提高预凝胶的粘弹性和可打印性（Yuting Wang et al., 2021），并且已被证明可以调节干细胞的命运并在2D和3D系统中促进成骨（Gan et al., 2023; Kumari et al., 2024; X. Wang et al., 2024; Yichuan Wang et al., 2023）。尽管之前已经探索过GelMA/κCGN系统——无论是将κCGN作为牺牲性的流变改性剂（X. Wang et al., 2024）还是作为完全交联的互穿聚合物网络（IPN）系统（Gan et al., 2023）——但大多数研究都集中在流变调节、机械增强或短期细胞相容性上。相比之下，κCGN在调节3D生物打印GelMA基系统中生物驱动的矿化过程中的作用，特别是类似磷灰石矿物的空间分布和元素组成，仍知之甚少。
在这里，我们在一个已建立的GelMA/κCGN配方基础上进行了改进，其中含有约0.5%的κCGN（Gan et al., 2023; X. Wang et al., 2024），以确定κCGN带来的可打印性提升是否伴随着3D环境中成骨分化和类似磷灰石矿物的形成（Kumari et al., 2024）。
我们假设，将GelMA的胶原衍生生物活性与κCGN的粘弹性和骨传导性结合起来，可以产生一种协同作用的多糖-蛋白质复合网络，该网络在保持结构保真度的同时，提供类似硫酸化糖胺聚糖的信号，以增强间充质干细胞的成骨能力和类似磷灰石矿物的形成。这项工作通过提供对工程复合生物墨水中细胞介导的矿化的多尺度、空间解析评估，填补了当前GelMA-卡拉胶研究中的一个关键空白，对骨组织工程、体外疾病建模和药物筛选具有直接的相关性。
