一、研究背景

在骨组织工程中，3D打印技术被广泛用于制造具有复杂结构的骨支架。明胶（Gelatin, Gel）因其良好的生物相容性和可模拟细胞外基质的特性而被广泛应用，但其机械强度不足、降解速率不稳定，需与其他材料复合以增强性能。羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）是一种天然存在于骨组织中的生物陶瓷，具有优异的骨传导性和生物活性，可显著提升支架的机械强度和成骨能力。羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）作为一种天然多糖，常用于调节水凝胶的粘度和稳定性，改善其打印性能。

然而，3D打印过程中，水凝胶墨水的流变性能（如粘度、储能模量、损耗模量）对打印精度和结构保真度有重要影响。优化墨水配方和打印参数，以实现高形状保真度和结构稳定性，是当前研究的关键。

二、研究内容

本研究系统探讨了不同浓度的明胶（7.5%和15% w/v）和羟基磷灰石（10%和20% wt%）对HA/Gel/CMC水凝胶墨水的流变性能、打印适性和支架结构稳定性的影响。具体研究内容包括：

• 制备不同配比的HA/Gel/CMC水凝胶墨水，评估其流变性能（粘度、储能模量、损耗模量、剪切稀化行为）。
• 通过温度扫描测试确定各组水凝胶的凝胶温度，分析HA和Gel浓度对凝胶温度的影响。
• 进行打印适性测试，评估不同配方在不同打印温度和压力下的打印表现，确定最佳打印参数。
• 通过丝材坍塌测试评估打印结构的形状保真度和稳定性，确定最佳打印速度。

研究中共制备了6组不同配方的水凝胶墨水，具体配方如下表所示：

流变测试结果表明，所有水凝胶墨水均表现出明显的剪切稀化行为，有利于挤出式3D打印过程。随着明胶和HA浓度的增加，水凝胶的粘度和储能模量显著提高，凝胶温度也随之升高。

温度扫描结果显示，随着HA含量的增加，凝胶温度升高。例如，7.5%明胶组中，凝胶温度从48.5°C（无HA）升高至56°C（20%HA）；15%明胶组中，凝胶温度从54°C（无HA）升高至63°C（20%HA）。

打印适性测试表明，高浓度明胶（15%）配方需要更高的打印温度（70°C）和压力，可能不适合细胞负载的生物打印应用。相比之下，7.5%明胶配方在较低温度（40°C）下即可实现良好的打印表现，更适合生物打印。

通过丝材坍塌测试确定最佳打印速度为6 mm/s，此时打印出的支架结构具有良好的形状保真度和自支撑能力。

三、研究结论

本研究系统评估了明胶和羟基磷灰石浓度对3D打印HA/Gel/CMC水凝胶墨水性能的影响，得出以下主要结论：

• 增加明胶浓度（从7.5%到15%）可显著提高水凝胶的粘度和储能模量，但同时需要更高的打印温度（从40°C升高到70°C），可能不适合细胞负载的生物打印应用。
• 增加HA浓度可提高水凝胶的机械强度和凝胶温度，增强支架的结构稳定性。
• 7.5%明胶配方在较低温度（约40°C）下即可实现良好的打印表现，更适合生物打印应用。
• HA20Gel7.5CMC配方表现出最佳的综合性能，包括适宜的粘度、储能模量和打印适性，被确定为最佳配方。
• 最佳打印参数为：温度40°C，压力23-30 psi，打印速度6 mm/s，此时支架具有较高的形状保真度和结构稳定性。

此外，FTIR分析证实了明胶、CMC和HA之间存在氢键和离子相互作用，增强了复合水凝胶的机械性能和结构稳定性。

四、论文信息

论文题目：Gelatin and hydroxyapatite concentration improves rheological properties of 3D-printed HA/Gel/CMC bone scaffolds

作者：Şule Arıcı, Hatice Kaya, Duygu Ege

单位：土耳其博阿齐奇大学生物医学工程研究所

期刊：Biomedical Physics & Engineering Express

发表时间：2025年8月6日

DOI：10.1088/2057-1976/adf3bc