骨組織工程中3D打印在雙交聯無菌氣凝膠支架制備中的應用
本文聚焦于骨組織工程領域，通過3D 打印技術與氣凝膠工藝結合，制備出藻酸鹽 - 羥基磷灰石（HA）雙交聯無菌氣凝膠支架。研究采用氯化鈣老化和戊二醛（GA）蒸汽交聯的雙重策略，提升了支架的結構完整性與生物活性，經超臨界 CO₂干燥后形成具有雙重孔隙（介孔與大孔）的納米結構。實驗表明，該支架具備良好的生物相容性、血液相容性及骨誘導性，且通過超臨界 CO₂處理實現無菌化，為個性化骨組織工程應用提供了有前景的解決方案。
思維導圖
一、研究背景與目的
骨組織工程挑戰：大段骨缺損修復需具備復雜孔隙結構（介孔 + 大孔）和生物活性的3D支架，傳統方法存在血管化困難、成本高、無菌性不足等問題。
技術創新點：結合3D打印與氣凝膠技術，通過雙交聯策略（CaCl₂老化 + GA 蒸汽交聯） 提升藻酸鹽- HA 支架的機械性能與降解可控性，并通過超臨界 CO₂實現無菌化。
二、材料與方法
材料制備
墨水配方：6 wt.% 藻酸鹽溶液添加 0-24 wt.% HA，經均質、脫氣處理。
3D 打�。篊ellink BIOX 打印機，410-µm 噴嘴，60 kPa 壓力，12 mm/s 速度，打印后在 1 M CaCl₂中老化 1 h。
氣凝膠與交聯工藝
超臨界干燥：乙醇置換后，在 120 bar、40℃條件下用 CO₂干燥。
GA 交聯：GA 蒸汽（25% 水溶液）處理 1 h，真空去除殘留醛基。
性能表征
物理性能：BET（比表面積、孔徑）、SEM（形貌）、FTIR（化學結構）。
生物性能：SBF 礦化實驗、BALB/c 3T3 細胞 viability（WST-1 法）、 hemolytic activity（人血測試）。
滅菌驗證：超臨界 CO₂（100 bar, 40℃, 30 min）結合 H₂O₂，TSA/TSB 培養檢測無菌性。
三、關鍵結果
流變與結構性能
墨水特性：HA 添加提升儲存模量（G’），24 wt.% HA 時 G’達 2.95 kPa，剪切稀化指數隨 HA 增加而降低。
氣凝膠結構：未交聯支架孔隙率最高 90.32%（Alg 6%, HA 0%, CaCl₂ 0.5M1h），雙交聯后孔隙率降至 59.14%-86.78%，但結構完整性顯著提升。
| 配方 | 比表面積（m²/g） | 平均孔徑（nm） | 孔隙率（%） |
|------------------|------------------|----------------|-------------|
| Alg 6%, HA 0%, CaCl₂ 1M1h | 244±12 | 24±1 | 86.78±0.88 |
| Alg 6%, HA 8%, CaCl₂ 1M1h | 81±4 | 26±1 | 82.27±0.24 |
| Alg 6%, HA 16%, CaCl₂ 1M1h, GA | 21±1 | 32±2 | 59.58±1.47 |
生物活性與相容性
礦化能力：SBF 浸泡 28 天后，HA 含量 24 wt.% 的支架表面形成大量羥基磷灰石顆粒，Ca/P 比達 1.67，接近天然骨。
細胞活性：BALB 細胞 viability 超 90%，GA 交聯組與未交聯組無顯著差異（p>0.05）。
血液相容性： hemolytic activity 均 < 1.8%，符合 ISO 10993-4 標準（<5%）。
滅菌效果
超臨界 CO₂處理后，TSA 培養無菌落生長，支架比表面積與孔徑變化 < 10%，結構未受破壞。
圖1. 由 6 wt.% 海藻酸鈉墨水和不同羥基磷灰石（HA）濃度打印的氣凝膠在生物活性測試后的掃描電子顯微鏡（SEM）照片：（a）0 wt.%，（b）8 wt.%，（c）16 wt.%，（d）24 wt.%。氣凝膠在浸入模擬體液（SBF）介質之前進行了老化處理并用戊二醛（GA）蒸汽交聯。（e）SBF 處理后的 Alg 6%、HA 8%、CaCl₂ 1M 1h + GA 氣凝膠在磷灰石顆粒區域（光譜 1，左）和背景區域（光譜 2，右）的能量色散 X 射線光譜（EDX），該光譜代表了所有測試樣品的結果。
四、結論
技術優勢：雙交聯策略顯著提升支架的機械強度與抗降解能力，超臨界 CO₂干燥保留納米孔隙，HA 含量 8 wt.% 時綜合性能最佳。
應用前景：該支架兼具定制化 3D 結構、雙重孔隙網絡、生物活性及無菌性，為個性化骨組織工程提供了新型候選材料。
關注我們了解更多
思維導圖
一、研究背景與目的
骨組織工程挑戰：大段骨缺損修復需具備復雜孔隙結構（介孔 + 大孔）和生物活性的3D支架，傳統方法存在血管化困難、成本高、無菌性不足等問題。
技術創新點：結合3D打印與氣凝膠技術，通過雙交聯策略（CaCl₂老化 + GA 蒸汽交聯） 提升藻酸鹽- HA 支架的機械性能與降解可控性，并通過超臨界 CO₂實現無菌化。
二、材料與方法
材料制備
墨水配方：6 wt.% 藻酸鹽溶液添加 0-24 wt.% HA，經均質、脫氣處理。
3D 打�。篊ellink BIOX 打印機，410-µm 噴嘴，60 kPa 壓力，12 mm/s 速度，打印后在 1 M CaCl₂中老化 1 h。
氣凝膠與交聯工藝
超臨界干燥：乙醇置換后，在 120 bar、40℃條件下用 CO₂干燥。
GA 交聯：GA 蒸汽（25% 水溶液）處理 1 h，真空去除殘留醛基。
性能表征
物理性能：BET（比表面積、孔徑）、SEM（形貌）、FTIR（化學結構）。
生物性能：SBF 礦化實驗、BALB/c 3T3 細胞 viability（WST-1 法）、 hemolytic activity（人血測試）。
滅菌驗證：超臨界 CO₂（100 bar, 40℃, 30 min）結合 H₂O₂，TSA/TSB 培養檢測無菌性。
三、關鍵結果
流變與結構性能
墨水特性：HA 添加提升儲存模量（G’），24 wt.% HA 時 G’達 2.95 kPa，剪切稀化指數隨 HA 增加而降低。
氣凝膠結構：未交聯支架孔隙率最高 90.32%（Alg 6%, HA 0%, CaCl₂ 0.5M1h），雙交聯后孔隙率降至 59.14%-86.78%，但結構完整性顯著提升。
| 配方 | 比表面積（m²/g） | 平均孔徑（nm） | 孔隙率（%） |
|------------------|------------------|----------------|-------------|
| Alg 6%, HA 0%, CaCl₂ 1M1h | 244±12 | 24±1 | 86.78±0.88 |
| Alg 6%, HA 8%, CaCl₂ 1M1h | 81±4 | 26±1 | 82.27±0.24 |
| Alg 6%, HA 16%, CaCl₂ 1M1h, GA | 21±1 | 32±2 | 59.58±1.47 |
生物活性與相容性
礦化能力：SBF 浸泡 28 天后，HA 含量 24 wt.% 的支架表面形成大量羥基磷灰石顆粒，Ca/P 比達 1.67，接近天然骨。
細胞活性：BALB 細胞 viability 超 90%，GA 交聯組與未交聯組無顯著差異（p>0.05）。
血液相容性： hemolytic activity 均 < 1.8%，符合 ISO 10993-4 標準（<5%）。
滅菌效果
超臨界 CO₂處理后，TSA 培養無菌落生長，支架比表面積與孔徑變化 < 10%，結構未受破壞。
圖1. 由 6 wt.% 海藻酸鈉墨水和不同羥基磷灰石（HA）濃度打印的氣凝膠在生物活性測試后的掃描電子顯微鏡（SEM）照片：（a）0 wt.%，（b）8 wt.%，（c）16 wt.%，（d）24 wt.%。氣凝膠在浸入模擬體液（SBF）介質之前進行了老化處理并用戊二醛（GA）蒸汽交聯。（e）SBF 處理后的 Alg 6%、HA 8%、CaCl₂ 1M 1h + GA 氣凝膠在磷灰石顆粒區域（光譜 1，左）和背景區域（光譜 2，右）的能量色散 X 射線光譜（EDX），該光譜代表了所有測試樣品的結果。
圖2.3D 打印海藻酸氣凝膠的超臨界滅菌：(a) 無菌雙交聯氣凝膠支架接種于胰蛋白酶大豆肉湯（TSB）試管中培養 24 小時后的圖像。無菌（st）和老化氣凝膠支架的光學和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像：(b,c) Alg 6%、HA 8%、CaCl₂ 1M1h、st；(d,e) Alg 6%、HA 8%、CaCl₂ 1M1h、GA、st。氣凝膠在兩種不同放大倍數下觀察。
四、結論
技術優勢：雙交聯策略顯著提升支架的機械強度與抗降解能力，超臨界 CO₂干燥保留納米孔隙，HA 含量 8 wt.% 時綜合性能最佳。
應用前景：該支架兼具定制化 3D 結構、雙重孔隙網絡、生物活性及無菌性，為個性化骨組織工程提供了新型候選材料。
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