学术分享 I 明胶基材料在骨科生物3D打印中的应用综述

发布时间：2025-10-08 浏览量：分享到：

明胶基材料生物打印在骨科应用的研究

1 研究背景

大段骨/软骨缺损由创伤、肿瘤或感染引起，是骨科临床极具挑战的难题。传统自体/异体骨移植存在供体有限、感染风险、几何不匹配等缺陷。生物打印技术可精确构建患者特异性细胞-支架复合体，而明胶因其优异生物相容性、可降解性、RGD 序列促细胞黏附及快速凝胶化特性，成为骨科生物打印的理想基材。然而纯明胶机械强度弱、37 ℃易溶解，需通过改性或复合其他功能材料以满足骨科力学与生物学双重要求。

2 研究内容

本文系统综述了①明胶改性策略（甲基丙烯酸化 GelMA 等）；②DIW墨水直写3D打印/光基两大生物打印工艺对明胶基墨水的要求；③针对软骨（CTE）与骨（BTE）两大场景的复合墨水配方；④4D 打印赋予支架动态形态变化的新进展；⑤临床转化瓶颈与未来方向。

Figure 1 近十年骨科（A）与软骨（B）生物打印发文量（Scopus 检索）

Figure 2 (A) 储能/损耗模量 (B) 压缩强度 (C) GM/HAMA 网格支架 (D) 打印保真度量化 (E) 兔喉模型 CAD 与打印实物 (F) 兔甲状软骨 CAD 与打印实物

Figure 3 骨科常用生物3D打印技术：(A) DIW墨水直写3D打印；(B) 光基（DLP）

Figure 5 (A) 不同配方 3D 打印网格；(B) S-IPN 与 IPN 体外软骨分化染色与定量（TGF-β3）

Figure 6 (A) Live/Dead 染色；(B) Ca²⁺ 交联与 3D 打印细胞活性；(C) 组织学-免疫组化（II 型胶原、聚集蛋白聚糖）

Figure 7 (A) 混合打印流程；(B) 共聚焦与光学照片；(C) 20% 压缩循环后结构完整；(D) 应力-应变曲线

Figure 8 (A) 体外成血管与 ALP/ARS 染色；(B) 大鼠颅骨缺损 2/4 周 Micro-CT 与组织学

Figure 9 (A) ALP/ARS 染色与定量；(B) 术后 2 周 Micro-CT 与组织学

Figure 10 (A) 细胞活率；(B) ALP 与 β-catenin 表达；(C) ARS 矿化；(D) 小鼠 8 周颅骨缺损 Micro-CT 与 H&E

Figure 11 体积生物3D打印异细胞骨模型：(A) 实验流程；(B) 3D 渲染；(C) 连续内皮通道横截面

Figure 12 明胶基 4D 3D打印：(A) 交联梯度示意；(B) 吸水弯曲；(C–E) PEGDA/GM/OMA 卷曲实拍；(F–K) 多材料梯度条

3 研究结论

明胶经甲基丙烯酸化等改性后，兼具优良生物性能与可打印性，是骨科生物3D打印的“核心骨架”。
与 HAp、β-TCP、PEGDA、HAMA、SF 等第二相复合，可同时提升力学强度、成骨/成软骨信号及降解可控性。
挤出式适合大尺寸负载细胞构建；DLP 体积打印可在数秒内完成厘米级、高分辨率、预血管化仿骨组织。
4D 3D打印引入交联梯度或形状记忆效应，使支架随时间“自变形”，更好匹配骨/软骨发育动态微环境。
临床转化仍受细胞来源、GMP 生产、大动物模型、监管与成本多重限制，需多学科-产业链协同推进。

4 论文信息

论文标题	Bioprinting of gelatin-based materials for orthopedic application
作者	Yusuf Olatunji Waidi, Ishaq Kariim, Sudipto Datta
发表期刊	Frontiers in Bioengineering and Biotechnology
发表日期	2024 年 3 月 13 日
DOI	10.3389/fbioe.2024.1357460

森工3D打印机功能分析

该研究中涉及的3D打印策略

1、森工可匹配模块:

①立体光固化(DLP)：为改性复合明胶墨水结构模型提供打印策略；

②墨水挤出打印：适合低粘度生物材料，如水凝胶、明胶等；
③双喷头打印模块：2-4通道设计，一方面装载明胶材料，一方面装填4D材料进行协同/并联打印；

2、需定制的模块: ①低温灭菌生物打印柜：可实现灭菌消毒工作有效防止细胞材料污染同时，对打印腔体环境进行温度保护，有效解决温敏材料对温度影响变化；

小编对该类研究的拓展设想

1、拓展思路： ①搭载高低温喷头/平台对温敏及低粘度4D材料，打印后快速实现固化赋予支架动态形态变化；
②针对软骨（CTE）与骨（BTE）两大场景的复合墨水为了提高实验效率，可使用在线混合模块，将生物材料与特定性能材料进行实时比混合，减少多喷头协作时间；
③转轴模块：为不同直径、不同长度类型的管状支架提供更多实验空间；

2、涉及模块介绍： ①低温直写喷头/平台模块：模块支持-5℃-室温，快速提高固化效率，保障材料打印成型效果；
②DIW高温喷头直写模块（室温-300℃）高温平台（室温-100℃），支持粉末、浆料、颗粒等形态材料，针对不同材料形态提供合适的打印策略；
②在线混合模块：主动混合或者被动混合模式，可实时在线混合，实现指定比例混合材料、在线梯度渐变；
③转轴直径支持最低1.5mm直径多种管状可选满足更多支架需求，

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4. 少量材料即可打印测试，高效产出，节约实验成本；
5. 支持多喷头多通道多材料多模式打印；
6. 支持各种外场辅助功能拓展和定制。

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