可见光诱导3D生物打印可注射支架用于微创组织再生

预成型水凝胶支架已成为组织再生领域备受青睐的载体，能够促进原生组织的微创治疗。然而，由于高度溶胀性和固有机械性能较差，在不同维度尺度上开发复杂结构水凝胶支架始终面临挑战。本研究在工程设计与生物墨水化学的交叉领域采用创新方法，通过可见光（VL）诱导的数字光处理（DLP）技术开发可注射预成型结构水凝胶支架。我们首先确定了在甲基丙烯酰化明胶（GelMA）生物墨水中添加聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的最低浓度，以实现兼具可扩展性、高打印保真度的理想细胞粘附、存活、铺展及成骨分化特性。尽管GelMA-PEGDA混合生物墨水在提升可扩展性、打印保真度方面具有优势，但3D生物打印支架的压缩性、形状恢复性和可注射性却受到影响。为恢复微创组织再生应用所需的这些特性，我们通过拓扑优化设计出具有高度压缩性和可注射性的预成型（即3D生物打印）微结构支架。所设计的可注射预成型微结构支架展现出优异的细胞存活保持能力（注射10次循环后存活率>72%）。最后，鸡胚绒毛尿囊膜（CAM）实验证实，优化后的可注射预成型混合水凝胶支架具有生物相容性，并能支持血管生成。

综上所述，我们开发了一个新型平台，通过自下而上的可见光数字光处理技术，解决了可扩展三维支架自由形貌生物制造这一尚未满足的临床需求。该可注射预成型微结构支架由广泛应用的生物材料——甲基丙烯酰化明胶和聚乙二醇二丙烯酸酯构成，适用于微创组织再生领域。可见光诱导三维（生物）打印支架在保持优异打印精度的同时，展现出增强的物理机械性能，并能有效促进细胞铺展、增殖及成骨分化。我们进一步将数学化拓扑优化算法整合至支架设计流程，显著提升了产品的可注射性、可压缩性和形状恢复特性，从而拓展了其在微创组织再生中的应用潜力。

研究表明，经拓扑优化的三维生物打印支架能为封装细胞提供理想递送环境，多次注射后仍能维持良好细胞活性。这一技术有望解决当前细胞疗法面临的瓶颈——移植后细胞存活率低、定植效率差且细胞命运调控不足等问题。通过鸡胚绒毛尿囊膜实验，我们验证了该可注射预成型支架的生物相容性与促血管生成能力。但需指出，关于支架与骨愈合过程中各类细胞的长期力学-生物学响应、免疫反应及相互作用等机制，仍需开展超出本文范围的深入体内研究。

在后续工作中，我们将利用该可注射预成型支架作为细胞、生物活性分子及药物的递送载体，开展长期体内实验。本研究针对前成骨细胞优化的生物墨水及可见光诱导数字光处理工艺，可能不直接适用于其他细胞类型，因此未来将着力开发生物墨水与增材制造工艺的普适性适配方案。该微结构支架的另一临床应用方向是生物分子/药物的局部控释递送，这将成为作者团队未来的重点研究方向。