《Nature Communications》浙大研发“生物混凝土”生物墨水：原位生物3D打印修复器官损伤的科学突破

导语

在战场、车祸或运动场等紧急场景中，如何实现器官损伤的快速修复？浙江大学贺永教授团队在《Nature Communications》发表最新研究《In situ 3D bioprinting with bioconcrete bioink》（IF：14.7），提出“生物混凝土”生物墨水，突破传统生物墨水的局限，为原位生物3D打印提供革命性解决方案。本文深度解析这项技术的科学内核与创新价值。

先导小贴士

GelMA：明胶甲基丙烯酰基，一种光交联水凝胶，可通过紫外线固化形成三维网络结构，广泛应用于组织工程。

原位生物3D打印：直接在患者创面沉积生物墨水，通过3D打印精准修复损伤器官的技术。

Bingham流体：需克服屈服应力才能流动的非牛顿流体，兼具固体抗变形与液体流动性。

电喷雾技术：利用高压电场使聚合物溶液雾化成微滴，固化后形成均一微凝胶。

传统生物墨水的困境

传统生物墨水依赖温度敏感性水凝胶（如明胶甲基丙烯酰基，GelMA），存在三大瓶颈：

环境敏感性：37℃体温下易坍塌，无法在出血创面稳定成型。

力学矛盾：柔软结构利于细胞存活，但无法匹配骨骼等高强度组织的力学需求。

界面结合弱：移植材料与组织粘附力不足，易移位导致治疗失败。

生物混凝土：类混凝土仿生设计

研究团队受建筑混凝土启发，设计“微凝胶骨料+水凝胶水泥”复合体系：

骨料（Aggregate）

组成：500 μm GelMA微凝胶（EFL-GM-30），包裹骨髓间充质干细胞（BMSCs）。

制备：采用电喷雾技术生成尺寸均一的微凝胶，内部形成仿细胞外基质（ECM）的三维微环境。

功能：提供类Bingham流体特性——静止时如固体抵抗形变，挤出时如液体流动。

水泥（Cement）

组成：高浓度GelMA前体溶液（EFL-GM-300，20% w/v），含光引发剂LAP。

作用：渗透微凝胶间隙，光固化后形成高强度网络，同时与组织形成氢键和机械互锁。

生物墨水的思路设计和制备/使用方法的草图

四大核心技术突破

温度鲁棒性

流变学优势：微凝胶主导的Bingham流体特性，使墨水在4-37℃均能稳定挤出。

对比实验：传统GelMA墨水在37℃粘度下降4个数量级，而生物混凝土仅变化1个量级。

生物墨水的流变稳健性测试

力学自适应

压缩模量：A30/5-C300/20复合结构达204 kPa，接近松质骨力学强度。

张力模量：A30/5-C30/20的杨氏模量（1.81 kPa）匹配软组织需求，实现“刚柔并济”。

复合结构的机械性能

界面强粘附

机制：水泥组分渗透组织裂隙，光固化后形成氢键（GelMA醛基-组织氨基）与摩擦锁扣。

实测数据：与猪肌腱的界面粘附应力＞4000 Pa，猪骨骼＞6000 Pa，可承受日常活动外力。

功能预编程

微凝胶预分化：骨修复用微凝胶可提前21天诱导BMSCs成骨分化，植入后加速修复。

冻存便携性：组分分装于液氮罐，紧急时体温解冻即可使用。

动物实验验证：6周修复大鼠颅骨缺损

实验设计

创建直径5 mm的颅骨全层缺损，分三组：

●空白组（未处理）

●单纯生物混凝土组（无细胞）

●BMSCs-生物混凝土组

结果

Micro-CT：BMSCs组4周时骨体积分数（BV/TV）达38.7%，6周实现骨桥接。

组织学：H&E染色显示新生骨组织与宿主骨无缝整合，Masson染色证实胶原有序沉积。

生物墨水对大鼠颅骨缺损模型的体内治疗效果

五、未来展望：从技术到医疗革命

多组织适配：通过替换水泥组分（如HAMA水凝胶），可修复软骨、皮肤等软组织。

血管化设计：微凝胶预载内皮细胞，水泥添加VEGF，实现打印结构体内血管化。

智能设备开发：便携式生物打印机与“液氮急救站”构建城市急救网络。

结语

浙大团队通过仿生设计破解原位生物打印的力学、环境、界面难题，为紧急医学救援提供全新工具。这项融合材料科学、流体力学与再生医学的突破，标志着我国在生物3D打印领域迈入国际前沿。未来，随着共享式急救设备的普及，“现场打印，即刻修复”或将成为医疗新常态。

文献原文: 10.1038/s41467-022-30997-y

文献链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9225998/

关于赛箔生物

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