综述：3D打印水凝胶用于组织工程

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Review 3D-Printed hydrogels for tissue engineering: a review

　　

水凝胶的三维（3D）生物打印已成为组织工程中的重要策略，因为它能够制造具有可控结构、可调特性和仿生微环境的支架。本综述主要关注过去20年来基于水凝胶的3D生物打印的最新进展，同时纳入了部分标志性研究，以提供该领域演变的历史背景。对主要的凝胶打印技术，包括光基、挤出式和喷墨式系统，进行了讨论和比较，涉及打印分辨率、结构保真度、材料兼容性、细胞相容性和实际限制。此外，还考察了天然和合成水凝胶的作用，强调了它们在生物活性、可打印性和力学性能方面独特且互补的优势。进一步综述了坚韧和复合水凝胶的最新进展，重点介绍了诸如纳米复合增强、超分子相互作用、双网络形成、梯度结构和凝胶-聚合物杂化等策略，以改善打印结构的力学耐久性和功能性能。本综述还总结了在伤口愈合、软骨修复、骨和骨软骨工程、血管化组织制造以及其他组织特异性系统中的新兴应用，同时探讨了主要的转化挑战，包括可扩展性、血管化、可重复性、制造标准化和监管考虑。总体而言，本综述为用于组织工程应用的3D打印水凝胶的设计、制造、功能优化和临床转化潜力提供了更新且综合的视角。

论文主体部分从以下方面详细讨论了3D打印水凝胶在组织工程中的应用。首先，第2部分系统介绍了水凝胶的3D打印技术。2.1激光打印包括：2.1.1立体光刻（SLA），利用紫外激光逐层固化光敏水凝胶，具有高分辨率和大构建体积，但点扫描速度较慢；2.1.2双光子聚合（TPP），采用飞秒红外激光实现纳米级分辨率，通量低；2.1.3激光诱导前向转移（LIFT），通过激光脉冲将墨水从供体转移至受体，无喷嘴但设置复杂；2.1.4数字光投影（DLP），使用数字微镜器件一次性固化整层，速度较快但限于光响应材料。2.2挤出打印包括：2.2.1 3D绘图，将粘性水凝胶挤入匹配密度的溶液形成微丝；2.2.2直接墨水书写（DIW），基于剪切变稀墨水连续挤出，依赖流变性能保持形状，材料兼容性广；2.2.3低温沉积制造（LDM），在低于0°C平台挤出后冷冻干燥，形成多孔支架，但不利于直接细胞负载。2.3喷墨打印包括：2.3.1基于粉末的喷墨3D打印（I3DP-P），将粘合剂沉积到粉末床，无需支撑但机械强度弱；2.3.2基于液体的喷墨3D打印（I3DP-L），沉积低粘度水凝胶前体或交联剂，精度高但材料范围窄。总体而言，光基打印精度高，挤出打印材料兼容性好，喷墨打印非接触但粘度限制明显，选择方法需权衡分辨率、材料特性和细胞相容性。

第3部分讨论天然水凝胶。天然水凝胶分为多糖基、蛋白基和脱细胞组织来源，具有良好生物活性和细胞外基质（ECM）拟态特性，但批间差异大。3.1海藻酸盐水凝胶：源自海洋多糖，高度亲水，低蛋白吸附，可通过化学修饰增强生物学响应，用于皮肤、骨、软骨等修复。3.2壳聚糖水凝胶：由甲壳素脱乙酰得到，结构含D-葡萄糖胺和N-乙酰葡萄糖胺，葡萄糖胺可产生糖胺聚糖（GAGs），但物理交联力学差，需化学改性。3.3纤维蛋白水凝胶：由凝血酶和纤维蛋白原聚合形成，具有非线性弹性，凝胶时间可控，用于伤口愈合和细胞迁移。3.4纤维素水凝胶：机械强度高、生物降解性好，但溶解困难，常用衍生物如纳米纤维素增强打印性和流变性。

第4部分介绍合成水凝胶。合成水凝胶可精确调控化学组成和力学性能，常用材料包括聚甲基丙烯酸羟乙酯（pHEMA）、聚乙二醇（PEG）和聚乙烯醇（PVA）。4.1 pHEMA水凝胶：具亲水性和凝胶形成能力，用于接触镜和人工皮肤。4.2 PEG水凝胶：高度亲水、抗蛋白吸附，生物相容性好，但需功能化改善细胞粘附。4.3 PVA水凝胶：亲水、生物相容，通过冻融法增强力学刚度，用于伤口愈合、软骨再生和人工器官。

第5部分聚焦坚韧水凝胶在3D生物打印中的应用。5.1生物聚合物基坚韧水凝胶：利用纤维素、海藻酸钠、κ-卡拉胶和壳聚糖等，通过氢键或与合成聚合物（如PVA、PEG）复合提高力学性能，例如海藻酸钠与纳米纤维素结合用于软骨工程。5.2合成单网络坚韧水凝胶包括：5.2.1纳米复合水凝胶，分散纳米颗粒（如纳米粘土）增强增韧并改善流变；5.2.2超分子水凝胶，通过非共价键（氢键、离子键等）实现能量耗散；5.2.3导电和响应性坚韧水凝胶，导电聚合物赋予导电性，刺激响应性水凝胶可响应温度、pH、光等，用于生物传感器和药物递送。5.3复合结构水凝胶包括：5.3.1双网络水凝胶，如卡拉胶-聚丙烯酰胺双网络，力学优异但长期稳定不足；5.3.2梯度结构水凝胶，模拟天然组织梯度，如含Mn²⁺的软骨层和含生物活性玻璃的骨层，促进定向分化；5.3.3水凝胶-聚合物杂化，通过共价键连接水凝胶和弹性体，形成坚韧杂化结构；5.3.4宏观拓扑设计水凝胶，利用不同直径细丝设计（粗丝为基体，细丝为柔性键），提升整体韧性。5.4功能添加剂：5.4.1流变改性剂（如功能聚合物、纳米粘土）调节墨水粘度；5.4.2多功能添加剂（活细胞、ECM组分等）改善力学、生物相容性和靶向功能，例如血管化厚组织生物打印支持多细胞类型和生长因子运输。

第6部分讨论实际应用与临床转化。伤口护理中，3D打印水凝胶敷料可定制加载抗菌剂和生长因子，适用于慢性伤口；软骨修复中，水凝胶构建细胞支持结构但需解决长期力学耐久性和整合问题；骨和骨软骨工程中，水凝胶常需与陶瓷或合成聚合物复合增强。主要转化挑战包括可扩展性、血管化（特别是厚组织）、制造标准化和监管合规，需匹配降解动力学与组织再生，并建立GMP兼容质控流程。

第7部分展望未来研究方向。重点包括改进可扩展性和制造重复性，通过多材料打印、梯度设计和血管化线索实现厚组织血管化，平衡力学性能与生物学功能，以及早期整合监管标准化。未来研究应从概念验证转向临床可转化、功能鲁棒的系统。

第8部分总结。3D打印水凝胶在组织工程中重要，但无单一方法通用。光基打印高精度，挤出打印材料兼容广，天然水凝胶生物活性强，合成水凝胶可调控，复合和坚韧水凝胶拓展应用。未来需聚焦标准化、功能优化和临床转化。