三維 (3D) 生物打印是一項(xiàng)新興技術(shù)，能夠制造復(fù)雜的仿生組織結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于組織工程、再生醫(yī)學(xué)和藥物測(cè)試。水凝膠是一種能夠吸收大量水的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)，由于其生物相容性、可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能以及支持細(xì)胞粘附、增殖和分化的能力，已成為 3D 生物打印的有前途的生物墨水。

用于 3D 生物打印的水凝膠類型

已經(jīng)用天然和合成材料開發(fā)了多種水凝膠。

天然水凝膠

天然水凝膠源自生物來(lái)源，通常具有固有的生物活性和生物相容性，使其適合3D生物打印應(yīng)用。天然水凝膠的例子包括海藻酸鹽、殼聚糖、明膠、透明質(zhì)酸和纖維蛋白。這些水凝膠可以進(jìn)行改性，以提高其可印刷性、機(jī)械性能和生物活性，例如通過(guò)交聯(lián)或與其他聚合物共混。

合成水凝膠

合成水凝膠是化學(xué)合成的聚合物，可以定制為具有特定的性能，例如機(jī)械強(qiáng)度、降解率和生物活性。合成水凝膠的例子包括聚(乙二醇)(PEG)、聚(乙烯醇)(PVA)和聚(丙烯酸)(PAA)。更復(fù)雜的合成水凝膠，例如 Peptigel，含有天然基質(zhì)中常見的成分（肽）。合成水凝膠可以用生物活性分子（例如生長(zhǎng)因子和細(xì)胞粘附肽）進(jìn)行功能化，以增強(qiáng)其支持細(xì)胞生長(zhǎng)和組織再生的能力。PODS 生長(zhǎng)因子確保生長(zhǎng)因子在水凝膠內(nèi)穩(wěn)定，從而確保持續(xù)的可用性。

混合水凝膠

混合水凝膠結(jié)合了天然水凝膠和合成水凝膠的優(yōu)點(diǎn)，例如天然水凝膠的生物活性和合成水凝膠的可調(diào)特性。混合水凝膠的例子包括明膠-甲基丙烯酰基(GelMA)，它是明膠的可光交聯(lián)衍生物，以及聚(乙二醇)-纖維蛋白原(PEG-Fb)，它是一種合成-天然混合水凝膠。通過(guò)調(diào)整其組成和交聯(lián)條件，可以定制混合水凝膠以使其具有特定的性能，例如可印刷性、機(jī)械強(qiáng)度和生物活性。

用于 3D 生物打印的水凝膠的特性：

適印性

可打印性是 3D 生物打印水凝膠的一個(gè)關(guān)鍵特性，因?yàn)樗鼪Q定了水凝膠通過(guò)噴嘴擠出并在沉積時(shí)保持其形狀的能力。影響水凝膠適印性的因素包括其粘度、凝膠動(dòng)力學(xué)和交聯(lián)機(jī)制。具有適當(dāng)印刷適性的水凝膠可用于制造復(fù)雜的高分辨率組織結(jié)構(gòu)，并精確控制其幾何形狀和細(xì)胞組成。

機(jī)械性能

水凝膠的機(jī)械性能，如剛度和韌性，對(duì)于 3D 生物打印非常重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了打印過(guò)程中和打印后打印的組織結(jié)構(gòu)保持其形狀和承受機(jī)械力的能力。具有可調(diào)節(jié)機(jī)械性能的水凝膠可用于模擬各種天然組織的機(jī)械性能，例如軟骨等軟組織和骨骼等硬組織。

生物相容性和生物活性

生物相容性和生物活性是 3D 生物打印水凝膠的基本特性，因?yàn)樗鼈儧Q定了打印的組織結(jié)構(gòu)支持細(xì)胞粘附、增殖和分化的能力。具有高生物相容性和生物活性的水凝膠可用于制造可與宿主組織整合并促進(jìn)組織再生的功能性組織結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用和進(jìn)步

3D 打印生物材料正在開發(fā)用于多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

組織工程

水凝膠在 3D 打印中的主要應(yīng)用之一是組織工程，它們作為生物墨水來(lái)創(chuàng)建支持細(xì)胞生長(zhǎng)和組織形成的支架。水凝膠可以定制來(lái)模擬各種組織的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），為細(xì)胞粘附、增殖和分化提供合適的環(huán)境。研究人員已成功使用基于水凝膠的生物墨水 3D 打印多種組織類型，包括軟骨、骨骼、皮膚和血管。

藥物輸送

水凝膠還可用于藥物輸送應(yīng)用的 3D 打印。通過(guò)將小分子、蛋白質(zhì)或核酸等治療劑納入基于水凝膠的生物墨水中，研究人員可以創(chuàng)建具有控釋特性的定制藥物輸送系統(tǒng)。這種方法允許制造特定于患者的植入物或裝置，這些植入物或裝置可以提供局部和持續(xù)的藥物釋放，從而有可能改善治療結(jié)果并減少副作用。

軟體機(jī)器人

水凝膠在 3D 打印中的另一個(gè)最近出現(xiàn)的應(yīng)用是軟機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)。水凝膠的機(jī)械性能，例如靈活性和對(duì)外部刺激的響應(yīng)能力，使其成為制造軟執(zhí)行器和傳感器的理想材料。研究人員展示了基于水凝膠的軟機(jī)器人的制造，該機(jī)器人能夠模仿章魚和水母等生物體的運(yùn)動(dòng)，在水下探索、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備方面具有潛在的應(yīng)用前景。

水凝膠在各種 3D 打印應(yīng)用中顯示出巨大的前景，包括組織工程、藥物輸送和軟機(jī)器人技術(shù)。它們的特性，例如高含水量、生物相容性和可調(diào)節(jié)的機(jī)械特性，使它們成為這些應(yīng)用的理想選擇。隨著該領(lǐng)域研究的不斷進(jìn)展，我們預(yù)計(jì)會(huì)看到水凝膠在 3D 打印中更具創(chuàng)新性和影響力的用途。