综述：细菌纳米纤维素水凝胶作为下一代心脏与血管组织工程生物材料：结构、生物学及转化视角

《Gels》：Bacterial Nanocellulose Hydrogels as a Next-Generation Biomaterial for Cardiac and Vascular Tissue Engineering: Structural, Biological, and Translational Perspectives

　　

鉴于现有疗法无法再生受损心肌或逆转不良心室重构——而这正是全球心血管疾病死亡率居高不下的核心原因——先进生物材料尤其是水凝胶已成为极具潜力的治疗平台。其中，细菌纳米纤维素（Bacterial Nanocellulose, BNC）因其水合纳米纤维结构、高结晶度、优异力学性能及卓越保水能力，日益受到关注，这些特征与原生细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）的关键属性高度相似。上述特性为心血管应用中的细胞黏附、存活及组织构建提供了适宜的微环境。临床前证据表明，BNC基心脏构建体（包括无细胞补片及载细胞体系）可减少梗死后心室扩张、促进血管生成并改善细胞定植效率。在血管组织工程领域，BNC亦被应用于小口径血管移植物、各向异性水凝胶体系及形状记忆导管的研究，其在血液相容性及功能耐久性方面均展现出良好前景。功能化修饰策略——包括明胶复合、氧化表面处理、多肽接枝、导电聚合物引入及结构取向调控——进一步拓展了BNC基体系的生物学与力学适配性。此外，含BNC的生物墨水在流变学行为、可打印性及细胞相容性方面均表现出适用于三维生物打印的潜力。尽管取得上述进展，该领域仍面临诸多挑战：材料功能化优化、宿主整合、降解调控、血管化构建、规模化生产及向临床应用转化的监管路径均有待完善。

引言部分首先指出，心血管疾病仍是全球首要致死原因，其核心病理基础为心肌梗死、慢性缺血及进行性心力衰竭。成年哺乳动物心肌在缺血事件后再生能力极为有限，常导致心肌细胞死亡、心室壁变薄、不良重构、纤维化及心腔扩大。传统药物治疗、支架植入及外科血运重建虽可减轻急性损伤，但无法实现心肌组织的原位替代，凸显了开发可支持心脏修复的生物材料的迫切需求。当前已有多种纳米材料及生物材料（包括聚合物、金属氧化物、石墨烯基体系及杂化复合材料）被用于心血管组织工程研究。生物材料作为器官移植的潜在替代方案，可规避供体短缺与免疫排斥等局限，近年来需求显著增长。在天然生物材料中，多糖及蛋白基体系因具备生物相容性、可降解性及可持续性而备受关注，其中水凝胶作为能够吸收并保持水分的三维聚合物网络，在血管移植物、控释给药及心肌重建中应用广泛。BNC主要由木葡糖酸醋杆菌（Komagataeibacter xylinus）合成，是一种具有高拉伸强度、高含水率、高结晶度及超细高纯度纳米纤维网络的多糖，这些特征使其在细菌生物聚合物中独具优势，并被广泛探索用于生物医学领域。除结构优势外，BNC还具备实际生产效益：可实现低成本规模化制备，且发酵过程可利用农林及动物源性废弃物作为底物，降低环境影响并提升可持续性。近期研究亦强调，纳米纤维素凭借其生物相容性、化学可修饰性及针对复杂生物医学应用的定制能力，已成为极具前景的下一代生物材料。多项研究证实，BNC与包括成纤维细胞、角质形成细胞、成骨细胞、内皮细胞及间充质干细胞在内的人类多种细胞类型均具有优异相容性，且可通过物理或化学修饰进一步增强细胞黏附与活力。这些特性支撑了其在皮肤再生、血管移植及体外屏障模型等领域的成功应用，值得注意的是，BNC基膜在血脑屏障模型中表现优于传统膜材料，跨上皮电阻显著提升。最新研究发现，BNC在小口径人造血管制备中潜力突出，尤其适用于即用型血管移植物。其理化与力学性能有助于实现与生物组织的整合，并在生理血流与压力下维持功能。力学适配性——即高拉伸强度、弹性及抗蠕变性——是心血管植入物（包括血管移植物与心脏瓣膜结构）的核心要求，而BNC可满足其中多数指标。BNC的生物合成路径、结构组织及与心血管组织工程相关的关键理化性质已通过图示总结。在心脏再生领域，BNC基构建体关注度持续提升。负载共培养细胞的膜补片在梗死模型中显示出心脏保护作用，可维持细胞活力并减轻不良重构。同样，BNC作为心脏补片可减少心室扩张、支持治疗细胞定植并刺激血管生成。其在血管组织工程中的应用亦取得进展，BNC已被评估作为小口径血管替代物、各向异性复合水凝胶组分及形状记忆导管，在体内研究中展现出良好的血液相容性、内皮化能力及长期通畅性。综上，上述特性确立了BNC作为下一代心脏与血管工程生物材料的地位。BNC可被加工为膜、补片、导管、复合支架及可打印制剂等多种结构形式，但这些架构均源自同一高水合纳米纤维水凝胶网络。因此本综述采用广义生物材料学定义，将依赖富水纤维结构实现生物学与力学性能的BNC基体系统称为BNC水凝胶，无论其最终形态为膜、补片或血管导管。后续章节将系统回顾BNC的理化、力学及生物学特征，及其在心脏补片、心肌支架、血管移植物及生物打印墨水中的应用，重点阐释其在心血管组织再生中的独特优势。

BNC的理化与力学性质部分首先阐述其结构与组成：BNC是由木葡糖酸醋杆菌属合成的β-(1→4)-D-吡喃葡萄糖线性聚合物，形成不含木质素、半纤维素及抽提物的超纯纳米纤维网络，这一纯度是其生物医学应用的核心优势，可最大限度降低免疫原性并免除严苛化学处理需求。BNC纳米纤维直径通常为20~100 nm，形成高度缠结的三维水凝胶状结构，与天然心肌细胞外基质的胶原纤维高度相似。BNC可形成平滑且高度互联的纳米纤维网络，含水率常超过90%~99%，有利于营养物质与气体在支架内的高效扩散。其纳米结构结晶度高达70%~90%，源于纤维架构内密集的分子间氢键，这些结构特征赋予BNC优异的保水能力，可构建与心肌、内皮及干细胞高度相容的水合微环境。此外，BNC具备纳米纤维取向的内在潜力，可在生物合成或水凝胶制备过程中进行调控，这一能力对心脏工程尤为重要，可用于制备更接近天然心肌的各向异性支架。近期综述亦强调，BNC具有显著的化学与结构可修饰性，可通过精细调控理化性质适配特定生物医学需求。力学性质方面，BNC的力学性能是其在心脏组织工程中日益受重视的首要原因。得益于致密互联的纳米纤维网络与高结晶度，BNC兼具刚度、弹性与抗疲劳性能，可在承受生理形变的同时维持结构完整性。纯BNC呈现软生物组织特有的非线性弹性行为，这归因于其水合纳米纤维架构及纤维间的广泛氢键作用。建模研究表明，BNC符合超弹性本构定律，适用于预测其在跳动心肌上的应变分布与壁力学行为。天然水合态BNC在循环载荷下仍能保持韧性与柔性，可作为梗死心肌的增强补片使用，体内证据显示BNC补片可限制梗死后心室扩张并帮助维持左心室几何形态，提示该材料可在重构过程中为受损室壁提供机械稳定作用。定量比较代表性BNC基心血管体系进一步凸显了该材料的可调性：用于心肌细胞培养的明胶混合BNC支架弹性模量约为75 kPa，与心肌力学顺应性接近，可支持心肌细胞铺展与成熟；而天然BNC因高结晶纳米纤维架构通常刚度显著更高，更适合梗死稳定补片等需要结构强化的场景；用于血管应用的聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）-BNC复合材料则呈现接近天然动脉力学的各向异性顺应性与非线性应变响应。形状记忆与多层血管导管进一步证明，BNC衍生体系可耐受生理脉动载荷并维持管腔通畅。这些定量差异既体现了BNC基体系的广泛力学可调性，也反映出心血管生物材料领域仍缺乏标准化基准测试的现状。与PVA复合可使BNC水凝胶获得接近天然主动脉壁的各向异性力学行为与顺应性，适用于血管与心肌构建体；与明胶复合可降低刚度并增强黏弹性，同时提升表面粗糙度，构建更利于心肌细胞黏附与铺展的微环境；与淀粉（BNC/PS）共混则可形成双分子层结构的导管，在体内可承受生理压力并维持通畅性。总体而言，BNC基体系并非力学均一的材料，其性能高度依赖于配方、功能化策略及目标心血管应用场景。多层或形状记忆等先进BNC构建体还可适应动态形变并在机械应力后恢复形态，支持其在心脏与血管介入中的应用。综合来看，BNC具备内在仿生力学特征，并可进一步定制以匹配特定的心脏或血管组织需求，其强度、弹性与耐久性的结合使其成为心肌强化、工程化心肌组织及可植入心血管器械的潜力平台。生物相容性与细胞-材料相互作用部分指出，BNC在体外与体内模型中均表现出优异的生物相容性，主要归因于其超纯组成、高含水率及纳米纤维形貌。与植物纤维素不同，BNC不含木质素、半纤维素及其他抽提物，可最大限度降低免疫与炎症反应风险，使植入后的细胞行为更具可预测性。其三维护米纤维架构形成互联多孔水凝胶，模拟天然细胞外基质，可促进营养扩散并为多种心脏相关细胞类型提供结构支撑。体外研究反复证实，BNC可支持稳健的细胞黏附、生长与活力。肌源性细胞与间充质基质细胞在BNC膜上培养两周的存活率超过90%，扫描电镜显示细胞广泛铺展并形成跨越BNC网络的细胞-纤维锚定结构。这些发现得到了内皮细胞与成纤维细胞研究的佐证：BNC支架可促进细胞骨架组织并诱导类似天然组织的表型，包括增强的内皮分化特征。未修饰BNC的心肌细胞黏附较为有限，原因是其缺乏RGD等固有整合素结合基序；但BNC表面富含羟基的化学性质可轻易吸附血清或细胞外基质补充物中的蛋白质，形成生物活性调理层，部分弥补肽配体的缺失。生化功能化（尤其是明胶复合）可通过引入整合素结合基序并改善纳米级生物活性，显著增强心肌细胞黏附。氧化功能化或与精氨酸等带正电荷残基的共轭，可通过引入羧基增强静电相互作用，进一步提升蛋白质吸附与细胞锚定能力。心脏细胞与其力学微环境的相互作用对肌节组织与收缩行为至关重要，研究显示刚度与拓扑结构的变化会显著影响心肌细胞成熟。导电BNC复合材料为电活性心脏细胞提供了额外增益：将聚吡咯（Polypyrrole, PPy）引入BNC支架可得到杂化基质，支持心肌母细胞广泛铺展并形成丝状伪足，促进与电耦合及成熟相关的特征。体内生物相容性同样优异：植入梗死心肌的BNC膜无明显炎症、纤维化或异物反应，无细胞BNC补片可减少心室扩张、部分维持心室几何形态并促进梗死区血管生成，这可能通过机械生物学稳定与内源性修复细胞募集实现。负载治疗细胞时，BNC可增强细胞定植并支持增殖与促血管生成群体的保留。血管研究同样显示优异的血液相容性：BNC基导管在小口径血管植入中保持通畅、血栓形成极少并实现渐进性内皮化，中期研究中甚至可形成多层新生血管样结构。综上，BNC是一种独特的生物相容性心血管支架，可与心脏、内皮及基质细胞产生有利相互作用，其纳米纤维拓扑、亲水化学性质与生化修饰能力为细胞黏附、表型引导及组织重构提供了多功能平台，使其有望用于工程化心肌构建体、再生心脏补片、血管移植物及杂化生物电子系统。

BNC作为心肌细胞与心脏组织再生支架部分首先说明，BNC既是梗死心肌的体内强化补片，也是心肌细胞培养与成熟的体外支架。需注意的是，BNC膜与补片并非干膜，而是高含水率、多孔且具纤维组织的水凝胶样构建体，其水含量、孔隙率与纤维组织决定了其与心脏细胞及受损心肌的相互作用。其仿生细胞外基质的纤维结构、可调力学及可修饰表面化学性质，使BNC可适配再生过程的不同阶段：心室壁机械稳定、治疗细胞递送与保留、内源性组织重构支持及预制心肌组织构建。体外支持心肌细胞与心肌母细胞的研究显示，原始BNC膜本身并非高度特化心肌细胞的理想基质：心肌细胞可黏附但铺展有限且活力低于更具仿生特征的配方，这与天然纤维素缺乏固有细胞黏附肽基序一致，尽管其丰富的羟基可吸附血清蛋白。为克服这一局限，BNC常与可同时提供生化信号并调节力学与拓扑性质的生物大分子复合。研究显示，明胶混合BNC（mBCG）组的新生心肌细胞活力、铺展及梭形形态维持最优，其次为明胶包被BNC（BCG），纯BNC支持的细胞密度最低。原子力显微镜分析表明，mBCG具有中等纳米级粗糙度，与改善的心肌细胞黏附相关；已知心肌细胞偏好可增强蛋白质吸附与整合素介导黏附的中等粗糙表面。力学上，mBCG的拉伸强度（约11.6 kPa）、延伸率（约12.6%）及弹性模量（约75 kPa）比更刚硬的BNC与BCG支架更接近天然心肌范围，提示力学顺应性与表面纳米结构共同支持心肌细胞功能。导电BNC复合材料进一步展示了该材料针对心脏细胞的定制潜力：在H9c2心肌母细胞研究中，普通BNC基底导致细胞密度低、丝状伪足形成少及异常圆形形态，而BNC-PPy支架促进广泛的细胞铺展、丰富的丝状伪足及沿纳米纤维的排列。BNC-PPy上的心肌母细胞保留了更典型的心肌样表型，且在分化条件下心脏标志物表达改善，提示BNC的结构支持与PPy的电导率结合可增强细胞骨架组织并可能促进机电成熟。除上述直接心肌细胞培养外，BNC还被探索作为混合纤维素基水凝胶的基质，用于重现心肌细胞外基质组成。纤维素水凝胶（包括BNC衍生体系）已与脱细胞心肌基质及其他生物活性成分复合，制备出可注射或预制支架，支持干细胞向心肌样表型分化，并促进对心脏谱系定向至关重要的整合素介导信号传导。在体内心肌修复应用中，BNC补片直接贴敷于梗死心肌是该生物材料最前沿的应用方向之一。临床前大鼠心肌梗死模型研究显示，BNC膜与骨骼肌细胞及骨髓间充质干细胞共培养14天后，植入梗死区域（无论是否含细胞组分），超声随访显示BNC补片（即使无细胞组）维持左心室尺寸的效果显著优于未治疗的梗死对照组，提示其对心室壁产生了明确的机械稳定作用。尽管无细胞组未改善左心室射血分数，但阻止了心腔扩张与室壁变薄，反映了不良重构的减轻。当BNC与治疗细胞联用时，组织学层面可见额外获益，包括BrdU阳性增殖细胞增加及梗死瘢痕与BNC-组织界面的血管生成增强（通过VEGF免疫染色证实）。这些结果表明，BNC可同时为受损室壁提供机械支持，并作为递送平台将发挥旁分泌活性的细胞保留在损伤部位。该环境下BNC的良好宿主反应体现为炎症浸润极少、无明显纤维包裹及补片与天然心肌界面渐进性整合，与其他植入部位的研究结果一致，凸显了其作为力学可靠、生物学惰性的心脏补片的潜力。心肌细胞与BNC的相互作用机制由纳米拓扑信号、表面化学及存在的导电或生物活性修饰共同调控。BNC固有的三维纳米纤维结构促进细胞锚定，并有助于维持与非纳米结构光滑表面相比的更分化表型，后者易导致细胞去分化。纳米纤维的高表面积有利于纤连蛋白、玻连蛋白等黏附蛋白从血清或条件培养基中吸附，进而与心肌细胞和基质细胞上的整合素结合，实现黏着斑形成及下游信号传导。化学上，BNC上密集的羟基使其表面高度亲水，并可与吸附的蛋白质及细胞外基质分子形成氢键。当BNC被氧化引入羧基（–COO^?）时，这些相互作用进一步增强，为带正电荷的蛋白质结构域与生长因子的静电结合提供额外位点。与明胶复合后，BNC支架获得可直接结合整合素的含RGD基序，这解释了明胶混合BNC上新生心肌细胞黏附、活力与铺展优于未修饰BNC或仅包被表面的现象。除初始黏附外，这些细胞-材料相互作用激活了对心脏成熟至关重要的机械转导通路。整合素结合促进黏着斑激酶（Focal Adhesion Kinase, FAK）信号传导、细胞骨架张力及YAP/TAZ等下游机械敏感通路，调控心肌细胞铺展、排列与表型成熟。由于心肌细胞对基质刚度高度敏感，更接近心肌力学顺应性的基质可更好地支持肌节组织与收缩行为。纳米级拓扑诱导的细胞骨架重构也影响细胞内钙处理，这对兴奋-收缩耦联与同步心脏功能至关重要。与脱细胞细胞外基质（decellularized Extracellular Matrix, dECM）的杂化可通过提供天然BNC缺失的组织特异性生化信号进一步增强上述机制。由于心脏dECM保留了天然心肌微环境的标志性结构蛋白与黏附配体，BNC与dECM的结合是将结构稳健性与组织特异性生化功能相结合的潜力策略，用于支持心肌细胞。电学与力学信号同样发挥重要作用：导电BNC-PPy复合材料可实现培养细胞与基质间更生理的电通信，与无导电BNC相比，H9c2细胞中肌节组织与心脏标志物表达均有所改善。同样，对齐BNC纳米纤维或构建各向异性复合水凝胶可使心肌细胞沿优选方向取向，支持功能性心肌所需单向生长与收缩模式。因此，生化配体、纳米级结构、表面电荷与力学各向异性的组合定义了一个多维设计空间，可用于优化BNC以支持心肌细胞黏附、成熟与整合。

BNC在血管组织工程与心血管整合部分指出，BNC在血管组织工程及构建心脏-血管杂化系统中潜力显著，这一点尤为关键，因为心肌再生不仅需要梗死室壁的机械稳定，还需要恢复微血管灌注。使BNC适用于心肌补片的相同特征——生物相容性、多孔纳米纤维结构、力学韧性与化学可修饰性——直接支撑了其作为血管支架的功能。同样，BNC基血管移植物与导管保留了水凝胶生物材料的定义特征，包括高水合度、渗透性、顺应性形变及与血液和血管细胞的水合富纤维界面。结构适用性方面，BNC制备的实验性血管导管呈现出模拟小口径动脉的结构特征。研究显示，分级BNC/马铃薯淀粉血管移植物具有包含光滑管腔面与多孔外层的双层结构，在体内可支持生理血流，通畅率约75%且具有抗动脉瘤变形能力。其他工程策略包括多层与形状记忆BNC导管，这类构建体可在形变后恢复原始形态并耐受脉动载荷而不发生结构失效，进一步巩固了其作为冠脉或外周旁路移植物的潜力。血液相容性与内皮反应部分强调，血液相容性是血管移植物性能的核心，多项研究证实BNC支持有利的内皮行为。BNC上培养的内皮细胞转录与蛋白质组特征向静息、生理表型偏移，减少炎症激活并促进血管稳定性相关标志物表达。植入的BNC基导管纤维蛋白沉积极少、无血栓且实现渐进性内皮化，同时支持类似内膜、中膜与外膜的多层血管样结构发育，表明BNC促进的是建设性血管重构而非纤维化或闭塞。此外，BNC表现出低血小板活化、优异的血液细胞相容性及高界面稳定性，这些特征使其特别适合血管移植物与血液相容性器械。与血管及基质细胞的相互作用部分指出，BNC支持参与移植物成熟的基质与血管细胞群体。经明胶等生物活性分子修饰的BNC基支架通过增强整合素介导的黏附与改善仿生表面性质，显示出改善的细胞黏附及对基质与血管细胞相互作用的支持。BNC的多孔纳米纤维架构进一步促进基质浸润与宿主整合，允许成纤维样细胞与平滑肌样细胞浸润，实现外层移植物重构并与宿主组织渐进性整合。这些现象与BNC用作心脏补片时的基质行为平行，后者中纤维血管整合与新血管形成被一致报道。心脏与血管基质反应的相似性提示，BNC可能在多种植入环境中促进促再生、低炎症微环境。血管条件下的力学性能方面，移植物与宿主血管的力学兼容性对防止吻合口失败至关重要。BNC表现出与天然动脉相似的非线性超弹性行为，支持其在经历周期性扩张的血管环境中应用。其拉伸强度与抗蠕变性使其可在连续脉动载荷下发挥作用，而PVA-BNC水凝胶等复合配方可提供接近生理血管的 anisotropic 顺应性。这些性质减少了顺应性失配并提升了移植物长期稳定性。杂化心脏-血管构建体部分突出了BNC的一大优势：其可同时支持心肌细胞与内皮细胞，非常适合开发预血管化心肌构建体。植入梗死心肌的BNC补片可在补片与宿主组织界面诱导血管生成，VEGF阳性新血管在损伤区域内形成。BNC的内皮兼容表面及其与跳动心脏的力学整合，使其成为旨在同时恢复心肌功能与微血管灌注的杂化支架的潜力基质。

BNC的功能化修饰部分阐述了针对心血管应用的多种修饰策略。生化修饰通过引入天然BNC缺失的基序来增强细胞黏附与信号传导。明胶是最有效的生物活性组分之一，因其引入可直接结合整合素的含RGD结构域。明胶混合BNC（mBNCG）支持的新生心肌细胞活力、铺展及表型维持显著优于原始BNC或明胶包被膜，表明整合明胶可同时改善生化配体可及性与黏附位点的纳米级呈递。精氨酸接枝也被探索为一种生化策略：将带正电荷的精氨酸残基引入氧化BNC可增强与细胞外基质蛋白质的静电相互作用，改善心脏与基质细胞的黏附与活力。这些修饰凸显了生化配体呈递如何直接塑造BNC基底上的细胞黏附、形态与再生行为。化学修饰通过引入新官能团来调控表面电荷、亲水性、可降解性与蛋白质吸附。其中，可控氧化是最成熟的技术。TEMPO介导的氧化生成羧基（–COO^?）官能团，增加表面负电荷并增强蛋白质与生长因子的结合，改善心肌细胞黏附并促进与复合水凝胶的相容性。当氧化与精氨酸接枝结合时，可观察到心脏细胞黏附的改善，说明化学与生化策略可产生协同效应。其他与生物医学应用相关的化学策略包括酯化、醚化、氨基甲酰化与磷酸化，可在保留纳米纤维完整性的同时调控力学性能与可降解性，使BNC可定制用于需要长期稳定性的心肌补片或用于临时支架的可生物吸收组分。结构修饰通过优化BNC的微观结构来引导细胞排列、迁移与组织构建。BNC纤维的对齐对心脏应用尤为重要，因为心肌细胞依赖各向异性结构来协调力生成与电传导。研究显示，取向纤维素基基质可促进心肌细胞拉长形态、定向细胞骨架组织及改善的钙处理，这些特征与更成熟的心肌表型一致。复合构建是另一项具有显著心血管相关性的结构策略。PVA-BNC水凝胶获得类似天然动脉顺应性与非线性弹性的各向异性力学性质，适用于需要生理形变行为的血管与心肌构建体。此外，BNC-淀粉导管形成具有光滑管腔面与多孔外部区域的双分子层功能结构，支持移植物成熟过程中的血流稳定性与基质浸润。醋酸纤维素的静电纺丝并再生为纤维素基纳米纤维，是结构修饰的另一途径，可制备具有可控取向、纳米级孔隙率及适合心脏细胞培养与血管支架的力学可调性的纤维网。电学修饰针对心脏组织所需的同步机电传导需求，导电BNC复合材料已成为关键研究方向。将PPy引入BNC可创建支持培养心脏细胞间电信号传导的电活性支架。BNC-PPy基底促进更强的心肌细胞铺展、改善的细胞-材料相互作用及优化的分化标志物表达。导电增强也可通过使用碳基或金属纳米结构（包括石墨烯、碳纳米管与金纳米棒）实现。尽管这些复合体系尚未在心肌再生中进行广泛体内测试，但其显示出改善工程组织内电传导、减少传导阻滞及增强再生心脏补片内细胞-细胞连接的潜力。生物学修饰策略将活细胞或生物活性组分整合到BNC中以创建响应性或预血管化构建体。接种骨骼肌细胞与间充质干细胞的BNC膜在培养期间维持高活力，植入梗死心肌后可刺激内皮增殖、血管生成与基质重构，表明BNC既可充当结构界面也可充当生物学界面，保留移植细胞的同时促进宿主-移植物整合。细菌工程的新兴工作进一步拓展了这一概念：通过基因编程纤维素生产菌的策略，可在生物合成过程中直接制备嵌入肽或功能生物分子的BNC，为无需后处理的固有功能性BNC支架提供了路径。BNC用于药物递送与生化调控的部分指出，BNC的亲水性与纳米级孔隙率使其可包封并控制释放治疗药物，包括抗炎分子、抗氧化剂与促血管生成因子。多项研究表明，BNC的氢键网络可实现适合心脏修复的缓释动力学，其中长期局部给药可减少炎症、增强细胞存活或刺激新生血管形成。在心肌应用中，载药BNC膜可通过调节成纤维细胞活性、预防过度瘢痕形成或支持治疗细胞的长期定植来改善补片性能。这些多样化的功能化修饰策略——生化、化学、结构、电学与生物学——将BNC转化为可满足心血管再生多方面需求的模块化可调平台。对黏附配体呈递、力学各向异性、电导率与生物活性分子保留的调控能力，使得工程构建体可更紧密地模拟心肌微环境与血管微环境。随着研究进展，修饰BNC体系有望支持下一代心肌补片、预血管化心肌组织及杂化生物电子植入物。

BNC基生物墨水与心脏和血管组织三维生物打印部分首先指出，开发适用于心脏与血管生物打印的生物墨水，需要材料兼具可打印性、结构保真度、细胞相容性、可控渗透性与力学适应性。BNC因其纳米纤维架构与流变学多功能性，已成为挤出式生物墨水的潜力组分。在当前文献中，BNC主要作为流变调节剂、力学稳定剂、细胞相容性基质及结构增强剂，用于面向心血管应用的复合水凝胶。生物打印已迅速发展成为制备个性化组织的策略，多种生物墨水、打印几何形状与沉积技术被用于心脏与血管应用。BNC生物墨水的基础部分说明，BNC的纳米纤维网络提供高保水能力、显著的剪切稀化行为与形态稳定性，这些都是挤出式生物打印的关键前提。从流变学角度看，可打印性高度依赖于储能模量（G′）与损耗模量（G″）的平衡，这决定了挤出后的形状保持能力与剪切应力下的流动行为。理想的心血管生物墨水必须具有足够的黏弹性以维持沉积后的长丝完整性，同时可通过临床相关喷嘴直径与挤出压力挤出，且不会造成过度的剪切诱导细胞损伤。形状保真度、抗长丝塌陷能力及打印后结构稳定性是评估含BNC生物墨水的核心指标。交联条件（包括离子、热或化学稳定化）也关键影响构建体分辨率、长期力学完整性及细胞相容性。BNC及BNC衍生的纳米纤维素体系更多作为流变改性剂或增强组分掺入复合生物墨水，而非单独使用。纳米纤维素-海藻酸盐水凝胶表现出强剪切稀化行为、高可挤出性与打印后稳定性，透明质酸的加入进一步改善了形状保持与体积保真度。打印构建体随时间保持其结构特征，干细胞（D1-MSCs）至少21天内保持活力与增殖，证实了NC-Alg-HA墨水的生物相容性。明胶基水凝胶因具有固有RGD基序且与心脏和血管细胞类型相容，被广泛用于生物墨水配方，这为将BNC纳入多组分可打印水凝胶体系提供了依据。其他研究也强化了BNC作为可打印性增强剂的作用：负载姜黄素的纤维素酯微粒掺入海藻酸盐水凝胶后改变了黏度并改善了长丝形成，且不影响细胞活力，证明BNC衍生纤维素体系除结构增强外还可提供生化功能。类似的，更广泛的生物墨水综述与纳米纤维素基生物打印研究指出，含纳米纤维素的配方可通过流变学增强改善挤出一致性、调节流动行为并支持多层沉积。综上，这些发现确立了BNC作为关键流变组分在制备具有高分辨率与生物学性能的心血管构建体中的作用。流变学、可打印性与BNC生物墨水的结构保真度部分指出，含BNC生物墨水的流变学性能由两个核心特征主导：剪切稀化行为与纳米纤维介导的缠结。剪切稀化对心脏生物打印至关重要，因为它允许在压力下实现低黏度挤出，同时在打印后维持高黏度以保持构建体几何形态。为更严格地评估可打印性，应使用定量流变学与加工参数而非仅定性描述来评估含BNC生物墨水，这些参数包括储能模量（G′）、损耗模量（G″）、G′/G″比值、剪切稀化行为、挤出压力、喷嘴直径、交联方法、形状保真度及打印后细胞活力。BNC的加入显著提高储能模量（G′）并增强剪切后的结构恢复，使三维构建体具有更优的保真度与抗塌陷能力。透明质酸通过提高保水能力与 hydrogel 一致性进一步改善这些性质。所得NC-Alg-HA支架在多层结构中保持其支柱高度、宽度与孔隙几何形态，这是依赖分级内部结构的复杂心血管组织的必要条件。灭菌是生物墨水制备的主要限制，高压灭菌常破坏水凝胶微观结构，但BNC复合生物墨水在短周期高压灭菌条件下表现出显著稳定性，可在灭菌后保留黏度与可打印性，支持细胞负载配方的安全制备。纤维素衍生水凝胶（包括使用醋酸纤维素纳米纤维的研究）显示，结构对齐与可控交联（特别是海藻酸盐的Ca²⁺交联）可生成适用于心脏构建体的各向异性支架及与血管组织相关的力学顺应性。载药纤维素酯水凝胶增加了另一个维度：BNC相关材料可包封生物活性分子而不破坏流变学，创建能够在组织成熟过程中递送抗炎或抗氧化剂的多种功能墨水。这些流变学与结构证据共同确立了BNC作为高分辨率、多层心脏与血管构建体生物墨水的稳健稳定剂。BNC增强的血管生物墨水部分指出，血管生物打印需要材料支持管腔光滑度、内皮黏附与径向力学稳定性。复合BNC生物墨水通过改善长丝刚度与减少下垂来满足这些需求，从而能够打印具有可控壁厚度的管状导管。BNC基血管移植物（包括淀粉增强BNC导管）呈现具有光滑管腔面与多孔外层的双层结构，模拟天然动脉结构并支持内皮化。转化为生物打印时，这些特征体现为黏度与支架稳定性的增强，促进了结构可靠的血管构建体制备。纳米纤维素支持的藻酸盐与透明质酸墨水促进内皮活力与排列，这对功能性血管内膜的形成至关重要。NC-Alg-HA构建体支持持续MSC活力与细胞外基质沉积，是血管壁成熟的重要前体。最新进展包括嵌入载药纤维素酯颗粒的生物墨水，可制备具有固有抗炎或抗氧化特性的血管移植物。这类墨水系统在炎症再狭窄为主要限制的小口径血管导管中尤为有用。综上，这些结果表明BNC基生物墨水满足了打印能够实现内皮化、灌注与长期稳定的血管组织所需的力学、结构与生物学要求。BNC增强的心肌与心脏组织生物打印墨水部分说明，心脏组织生物打印需要具有各向异性结构、机电支持且与心肌细胞相容的支架。BNC基生物墨水通过多种方式助力实现这些目标。首先，BNC的纳米纤维结构促进纤维对齐，可通过定向打印利用这一点诱导心肌细胞排列。基于纤维素的取向纤维支架已被证明可支持心肌细胞拉长形态与改善的钙循环。当掺入打印水凝胶时，BNC纳米纤维可作为可重复各向异性的模板。其次，复合BNC生物墨水可容纳导电材料。BNC-PPy复合材料增强心肌母细胞黏附并促进细胞骨架延伸，提示含BNC的导电生物墨水可能支持打印心脏组织中的同步收缩。第三，BNC改善了使用藻酸盐或HA基基质打印的心肌补片的力学完整性。心肌细胞、间充质干细胞与内皮细胞在NC增强水凝胶内生存良好，并表现出与早期组织构建一致形态学特征。NC-Alg-HA构建体中持续21天的MSC活力支持了这些系统在心脏环境中维持细胞生长与分化的能力。第四，BNC衍生组分可实现生物活性墨水设计，负载姜黄素的细菌纤维素-明胶复合水凝胶进一步证明，BNC衍生系统可在保持良好生物相容性的同时包封生物活性分子，支持其作为多功能生物制造平台的潜力。最后，BNC与高压灭菌兼容且在热处理下不会塌陷，适合制备无菌、可直接用于细胞的心脏生物墨水，这是胶原蛋白或Matrigel等蛋白基墨水的重大局限。总体而言，现有证据支持BNC生物墨水作为开发各向异性、导电且生物稳定心肌构建体的潜力候选者，能够支持心肌细胞排列、基质整合及最终的机电耦联。

挑战、局限性与未来展望部分首先指出，尽管BNC在心血管应用中表现出引人注目的性能，但若干科学、技术与转化壁垒仍限制其完全向临床实践过渡。理解这些挑战对指导支架设计、生物整合、可制造性及监管准备至关重要。额外的转化挑战超越生物学性能：BNC基心血管生物材料的大规模临床转化将需要符合GMP标准的生产管线，能够确保纤维架构、水合行为、力学性能与功能化一致性的批次间可重复性。鉴于BNC的细菌来源，内毒素污染仍是关键关切，需要严格的纯化与质量控制规程。灭菌策略也存在重要权衡，因为热、辐照或化学灭菌可能改变纳米纤维结构、力学顺应性或生物活性。因此，在广泛的临床心血管转化可行之前，标准化的生产与监管基准测试必不可少。生物学与生化局限性方面，天然BNC的一个基本局限是缺乏最优心肌细胞黏附与成熟所需的固有生化配体。尽管蛋白质吸附可部分支持细胞黏附，但稳健的心脏应用通常需要生化功能化，如明胶复合、多肽接枝、氧化或精氨酸基修饰。这些策略改善了生物活性，但也增加了制造复杂性、批次间变异性与监管负担。另一挑战是BNC在哺乳动物组织中不可降解。虽然长期稳定性对机械强化（如梗死稳定或血管导管）有益，但在需要支架渐进性吸收的应用中可能阻碍完全组织重构。通过氧化、酶可切割连接子或杂化配方引入可控可降解性的策略仍在开发中，需要仔细调控以避免损害力学完整性。这些挑战与关于纳米纤维素等新兴生物材料在大规模临床转化前仍需克服障碍的更广泛讨论一致。力学与结构挑战方面，尽管BNC表现出仿生力学性能，但实现精确各向异性与黏弹性调控对先进心肌构建体仍至关重要。心肌细胞依赖取向纤维支架来促进定向收缩与生理机电耦联。虽然取向纤维素构建体在支持细胞骨架组织与钙动力学方面已显示出前景，但具有一致力学梯度的各向异性BNC结构的大规模制备在技术上仍具挑战。同样，血管移植物必须匹配天然血管的顺应性以防止吻合口增生。虽然PVA-BNC复合材料近似动脉弹性，BNC-淀粉导管在生理压力下维持通畅性，但仍需进一步优化以确保脉动流下的长期抗疲劳性与力学稳定性。机电整合方面，BNC固有电惰性，限制了其支持工程心脏组织中同步兴奋-收缩耦联的能力。导电修饰（如PPy整合或导电纳米材料掺入）可能增强电传导，但其长期生物相容性、降解特征及体内电稳定性仍未充分表征。对于临床转化，导电BNC支架必须证明安全的传导能力、无致心律失常风险及与宿主心肌的稳定整合。血管化与组织整合方面，厚的心肌构建体需要快速且持续的血管化以确保营养输送与细胞存活。尽管BNC补片在梗死模型中促进血管生成，但在工程组织内实现预血管化或可灌注网络仍是一个开放挑战。结合内皮细胞、促血管生成因子