DOI:10.1016/j.addma.2020.101616
印刷工藝使組織特定三維（3D）微觀/宏觀結構的復雜設計成為可能。使用生物陶瓷和各種合成聚合物或天然水凝膠印刷的復合支架先前已被用于骨組織再生中，這是因為它們的特性可以彌補陶瓷或水凝膠的缺陷。由于復合材料的多種機械和生物協同作用，使用靜電紡絲和浸出法制備的明膠/羥磷灰石（HA）復合材料已被用于骨組織再生。然而，仿生復合生物油墨（明膠和高質量分數的生物陶瓷，約為70wt％）的3D打印非常困難，由于明膠的流變特性使它們對加工條件異常敏感，并且由于生物墨水中HA的重量百分比較高，而在打印過程中HA容易沉淀，造成噴嘴堵塞的現象，從而導致擠出能力差。為了解決這個問題，在本研究中，作者提出了一種新型生物墨水，其中多元醇被用作生物相容性處理劑。考慮了各種材料/加工因素以在最佳條件下獲得穩定的宏觀和網狀明膠/HA復合材料。與具有相似幾何結構的海藻酸鈉/HA復合材料相比，該生物復合材料顯示出優異的超彈性恢復性能。體外培養人脂肪干細胞，研究者觀察到該生物復合材料作為一個組織良好的細胞活化平臺，可促進有效的細胞活動。所提出的生物墨水配方和印刷工藝在成功穩定制備用于硬組織工程的仿生有機/無機復合材料方面顯示出巨大潛力。
圖1.（a）光學圖像顯示了28℃下明膠10wt％、膠原蛋白4wt％和海藻酸鈉4wt％的定性粘膠特性。（b）明膠10wt％、膠原蛋白4wt％和海藻酸鈉4wt％的溫度掃描流變特性（G'，儲能模量）。（c）溫差儲能模量dG’/dT。（d）水凝膠在30℃下應力掃描的儲能模量，yy表示水凝膠的屈服應力。
圖2.（a）明膠/HA（70wt％）生物墨水（0Gly-Gel/HA）的溫度掃描（5-45℃）流變特性（G'，儲能模量和G”，損耗模量）。（b）離心前后（3000rpm，5分鐘）0Gly-Gel/HA生物墨水的光學圖像顯示HA顆粒的沉降，用灰度值測定。（c）流程圖顯示明膠/HA生物墨水在不同噴嘴直徑和打印暫停時間下的打印能力，這些由左側示意圖（0-180s）定義。（d）使用0Gly-Gel/HA生物墨水的3D打印明膠/HA復合支架的照片。在圖像中，由于不穩定的打印條件，觀察到幾個堵塞的孔和聚集區域。
圖3.（a）溫度掃描（5-45℃）儲能模量（G’），以及（b）10％明膠溶解在不同濃度甘油（0-40vol％）中的溶膠-凝膠轉變溫度。（c）G'用于應力掃描（0.1-1000Pa），并且（d）比較不同明膠/甘油溶液在10.7Pa時的G'值。（e）在3000rpm下離心5分鐘前后，明膠/HA復合生物墨水溶解在不同甘油溶液（0-40vol％）中的光學圖像。（f）對溶于0和30vol％甘油的明膠/HA生物油墨的單線測試。（g）不同生物墨水成分（甘油0-40vol％）和印刷暫停時間（0-180s）的印刷能力測試和標準化印刷支桿尺寸。在標準化支柱尺寸中，紅色虛線和黑色實線分別表示支柱的設計尺寸和印刷尺寸。
圖4.（a）30Gly-Gel/HA生物墨水在筒內和工作階段的溫度處理圖（o：穩定擠出，×1：不擠出，×2：快速膠凝和×3：慢膠凝）。在（b）不同打印速度（5-15mm/s）和（c）氣動壓力（60-280kPa）下使用不同噴嘴尺寸（200-400μm）時的打印支桿尺寸。
圖5.（a）使用30Gly-Gel/HA生物墨水打印復合支架的印刷示意圖，以及（b）光學和表面/橫截面SEM圖像。（c）在37℃下的DMEM低葡萄糖培養基中孵育一段時間（初始、第4天和第7天）的支架的降解速率和（d）壓縮模量。（e）納米羥基磷灰石粉末（HA）和復合支架的XRD結果。（f）明膠粉、納米HA和復合支架的TGA結果。（g）使用30Gly-Gel/HA生物墨水和選定的打印條件制備的3D打印結構的光學圖像。
圖6.（a）使用30Gly-Gel/HA生物墨水打印的復合材料支架（直徑10mm，厚度5mm）的壓縮應力-應變曲線及其在各種應變下的對應照片。插圖顯示了加載前后變形的復合支架。（b）具有兩個不同變形方向（橫向和縱向）的圓柱形復合材料支架的循環壓縮加載/卸載試驗；一個壓縮加載/卸載循環的照片。壓縮載荷與時間的關系以及壓縮載荷與應變的關系。（c）具有不同孔徑的復合支架的應力-應變曲線和（d）壓縮模量。（e）不同HA濃度（0-80wt％）制成的復合支架的應力-應變曲線，（f）壓縮模量以及（g）最大應變和結構破壞應力。所有測試均在潮濕狀態下進行。*和NS分別表示顯著差異（p<0.05）和非顯著差異。
圖7.（a）用低溫印刷工藝制備海藻酸鈉/HA的示意圖。（b，c）顯示不同形態結構的光學和SEM圖像，以及（d）海藻酸鈉/HA（70wt％）和明膠/HA（70wt％）復合支架的循環壓縮加載/卸載曲線（10個循環），顯示出不同的機械滯后。（e）示意圖顯示了海藻酸鈉/HA和明膠/HA的不同形態。
圖8.（a）分別使用0Gly-Gel/HA和30Gly-Gel/HA生物墨水制備的（i）對照組和（ii）實驗組的光學圖像和SEM圖像。光學圖像中的橙色和藍色箭頭表示不穩定的支桿和阻塞的孔，放大的SEM圖像中的黃色箭頭表示在支架表面上的凹坑。（b）人脂肪干細胞（hASCs）在對照和實驗支架上培養7天后的DAPI（細胞核；藍色）/鬼筆環肽（F-肌動蛋白；綠色）圖像。（c）第14天的DAPI（藍色）/OPN（骨橋蛋白；紅色）免疫熒光圖像，以及（d）每個支架的OPN區域。（e）培養21天的細胞中Col1A1、Runx2、BMP2和OCN的相對基因表達。*p<0.05表示統計學上的顯著差異。
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