DOI:10.1016/j.addma.2020.101616

印刷工艺使组织特定三维（3D）微观/宏观结构的复杂设计成为可能。使用生物陶瓷和各种合成聚合物或天然水凝胶印刷的复合支架先前已被用于骨组织再生中，这是因为它们的特性可以弥补陶瓷或水凝胶的缺陷。由于复合材料的多种机械和生物协同作用，使用静电纺丝和浸出法制备的明胶/羟磷灰石（HA）复合材料已被用于骨组织再生。然而，仿生复合生物油墨（明胶和高质量分数的生物陶瓷，约为70wt％）的3D打印非常困难，由于明胶的流变特性使它们对加工条件异常敏感，并且由于生物墨水中HA的重量百分比较高，而在打印过程中HA容易沉淀，造成喷嘴堵塞的现象，从而导致挤出能力差。为了解决这个问题，在本研究中，作者提出了一种新型生物墨水，其中多元醇被用作生物相容性处理剂。考虑了各种材料/加工因素以在最佳条件下获得稳定的宏观和网状明胶/HA复合材料。与具有相似几何结构的海藻酸钠/HA复合材料相比，该生物复合材料显示出优异的超弹性恢复性能。体外培养人脂肪干细胞，研究者观察到该生物复合材料作为一个组织良好的细胞活化平台，可促进有效的细胞活动。所提出的生物墨水配方和印刷工艺在成功稳定制备用于硬组织工程的仿生有机/无机复合材料方面显示出巨大潜力。

图1.（a）光学图像显示了28℃下明胶10wt％、胶原蛋白4wt％和海藻酸钠4wt％的定性粘胶特性。（b）明胶10wt％、胶原蛋白4wt％和海藻酸钠4wt％的温度扫描流变特性（G'，储能模量）。（c）温差储能模量dG’/dT。（d）水凝胶在30℃下应力扫描的储能模量，yy表示水凝胶的屈服应力。

图2.（a）明胶/HA（70wt％）生物墨水（0Gly-Gel/HA）的温度扫描（5-45℃）流变特性（G'，储能模量和G”，损耗模量）。（b）离心前后（3000rpm，5分钟）0Gly-Gel/HA生物墨水的光学图像显示HA颗粒的沉降，用灰度值测定。（c）流程图显示明胶/HA生物墨水在不同喷嘴直径和打印暂停时间下的打印能力，这些由左侧示意图（0-180s）定义。（d）使用0Gly-Gel/HA生物墨水的3D打印明胶/HA复合支架的照片。在图像中，由于不稳定的打印条件，观察到几个堵塞的孔和聚集区域。

图3.（a）温度扫描（5-45℃）储能模量（G’），以及（b）10％明胶溶解在不同浓度甘油（0-40vol％）中的溶胶-凝胶转变温度。（c）G'用于应力扫描（0.1-1000Pa），并且（d）比较不同明胶/甘油溶液在10.7Pa时的G'值。（e）在3000rpm下离心5分钟前后，明胶/HA复合生物墨水溶解在不同甘油溶液（0-40vol％）中的光学图像。（f）对溶于0和30vol％甘油的明胶/HA生物油墨的单线测试。（g）不同生物墨水成分（甘油0-40vol％）和印刷暂停时间（0-180s）的印刷能力测试和标准化印刷支杆尺寸。在标准化支柱尺寸中，红色虚线和黑色实线分别表示支柱的设计尺寸和印刷尺寸。

图4.（a）30Gly-Gel/HA生物墨水在筒内和工作阶段的温度处理图（o：稳定挤出，×1：不挤出，×2：快速胶凝和×3：慢胶凝）。在（b）不同打印速度（5-15mm/s）和（c）气动压力（60-280kPa）下使用不同喷嘴尺寸（200-400μm）时的打印支杆尺寸。

图5.（a）使用30Gly-Gel/HA生物墨水打印复合支架的印刷示意图，以及（b）光学和表面/横截面SEM图像。（c）在37℃下的DMEM低葡萄糖培养基中孵育一段时间（初始、第4天和第7天）的支架的降解速率和（d）压缩模量。（e）纳米羟基磷灰石粉末（HA）和复合支架的XRD结果。（f）明胶粉、纳米HA和复合支架的TGA结果。（g）使用30Gly-Gel/HA生物墨水和选定的打印条件制备的3D打印结构的光学图像。

图6.（a）使用30Gly-Gel/HA生物墨水打印的复合材料支架（直径10mm，厚度5mm）的压缩应力-应变曲线及其在各种应变下的对应照片。插图显示了加载前后变形的复合支架。（b）具有两个不同变形方向（横向和纵向）的圆柱形复合材料支架的循环压缩加载/卸载试验；一个压缩加载/卸载循环的照片。压缩载荷与时间的关系以及压缩载荷与应变的关系。（c）具有不同孔径的复合支架的应力-应变曲线和（d）压缩模量。（e）不同HA浓度（0-80wt％）制成的复合支架的应力-应变曲线，（f）压缩模量以及（g）最大应变和结构破坏应力。所有测试均在潮湿状态下进行。*和NS分别表示显著差异（p<0.05）和非显著差异。

图7.（a）用低温印刷工艺制备海藻酸钠/HA的示意图。（b，c）显示不同形态结构的光学和SEM图像，以及（d）海藻酸钠/HA（70wt％）和明胶/HA（70wt％）复合支架的循环压缩加载/卸载曲线（10个循环），显示出不同的机械滞后。（e）示意图显示了海藻酸钠/HA和明胶/HA的不同形态。

图8.（a）分别使用0Gly-Gel/HA和30Gly-Gel/HA生物墨水制备的（i）对照组和（ii）实验组的光学图像和SEM图像。光学图像中的橙色和蓝色箭头表示不稳定的支杆和阻塞的孔，放大的SEM图像中的黄色箭头表示在支架表面上的凹坑。（b）人脂肪干细胞（hASCs）在对照和实验支架上培养7天后的DAPI（细胞核；蓝色）/鬼笔环肽（F-肌动蛋白；绿色）图像。（c）第14天的DAPI（蓝色）/OPN（骨桥蛋白；红色）免疫荧光图像，以及（d）每个支架的OPN区域。（e）培养21天的细胞中Col1A1、Runx2、BMP2和OCN的相对基因表达。*p<0.05表示统计学上的显著差异。