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Nanocellulose-based bio-inks for 3D bioprinting: advances and prospects in bone and cartilage tissue engineering
Yiwei Xu#, Hanqing Dai#*, Qianwang Ye, Wanlu Zhang*, Na Wang*, Lei Xiong*, Ruiqian Guo*
第一作者：徐艺玮、代汗清
通讯作者：郭睿倩、代汗清
通讯单位：复旦大学智能机器人与先进制造创新学院
全文链接：https://www.oaepublish.com/articles/ss.2025.107
导读
严重创伤、肿瘤切除或退行性疾病导致的骨与软骨缺损，是临床治疗的难点，其自我修复能力极为有限。组织工程与再生医学为此提供了新的解决思路，其中，三维生物打印技术因能精确构建具有复杂结构及细胞分布的仿生组织而备受关注。该技术的核心在于生物墨水，一种承载细胞并决定打印结构功能的特殊材料。这篇发表于Soft Science的综述文章，系统评述了纳米纤维素及其衍生物作为生物墨水关键组分，在骨与软骨组织工程中的应用潜力、最新进展及未来挑战，为开发高性能、功能化的组织工程构建体提供了重要的材料学视角。
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图片摘要
图文导读
一、生物墨水的分类与核心要求
三维生物打印旨在制造具有生物活性的组织结构，其成功高度依赖于生物墨水的定义与性能。如图1A所示，生物墨水主要分为两类：细胞负载型生物墨水，即在打印前将活细胞均匀分散于墨水基质中，实现细胞与结构的同步成型；生物材料墨水，则为不含细胞的打印材料，先行构建支架结构，随后通过细胞接种实现细胞化。理想的生物墨水需满足多重严格标准：具备适宜的流变特性以确保打印过程的流畅性与形状保真度；拥有良好的生物相容性与生物降解性以支持细胞活动并最终被新生组织替代。图1B进一步阐释了完整的生物打印工作流程，涵盖了从水凝胶前体、干细胞与生长因子的预处理，到生物打印、交联固化，直至体内植入促进组织再生的全过程，清晰展示了生物墨水在连接上游材料与下游应用中的核心地位。
图1.生物墨水与生物材料墨水的概念示意图及其在骨/软骨修复中的3D生物打印工作流程。
图2. 用于3D生物打印墨水的材料类别概览：天然聚合物、纤维素衍生物与纳米纤维素。
图3. 3D打印纤维素基气凝胶的多级孔结构
四、在骨再生中的应用
五、在软骨再生中的应用：仿生结构与功能重建
总结与展望
纳米纤维素基生物墨水的研究，是组织工程领域向材料精细化、制造智能化和应用个性化方向发展的重要体现。目前，该技术正处于从实验室研究向临床转化推进的关键阶段，仍面临材料标准化、复杂组织微环境模拟以及监管审批路径等方面的挑战。未来研究需要进一步深化对材料-细胞-宿主相互作用的机制理解，发展动态响应型的智能生物墨水，并加强与干细胞技术、个体化医疗方案的整合。随着跨学科合作的不断深入，纳米纤维素生物墨水有望在骨与软骨等难愈合组织的精准修复中发挥更重要的作用，为再生医学的发展提供新的动力。
通讯作者
郭睿倩
复旦大学
郭睿倩，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院教授、博士生导师，原复旦大学电光源研究所所长、复旦大学科学技术研究院产学研合作处处长，现复旦大学融合创新研究院副院长、复旦大学工研院超越照明研究所常务副所长，上海照明学会副理事长、上海照明电器行业协会副会长、第三代半导体产业技术创新战略联盟长三角协同创新委员会副主任。一直从事低维半导体光电材料、器件及其应用的科研工作，研究方向包括新型量子点发光材料及其柔性显示、新能源、可见光通信、生物应用、高显色性白光量子点LED照明等。在Electrochemical Energy Reviews、Innovation、ACS Nano、Advanced Materials、Nano Letters等国际权威学术刊物上发表SCI论文100余篇，论文他引超4000次。并曾受邀在SPIE等重要的国际光学会议上做邀请报告。曾作为日本学术振兴会(JSPS)外国人特别研究员赴九州大学开展合作研究，并荣获日本材料研究学会颁发的"材料科学研究进步奖"。作为课题负责人，主持和承担了包括国家自然科学基金重点项目/面上项目、国家重点研发计划课题及上海市科委项目在内的多项国家级及省部级科研项目。
代汗清
复旦大学
代汗清，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院&智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院，助理教授，博士生导师。主要从事智能材料在软体机器人、柔性电子与医疗健康等领域的应用研究。近年来，主持了国自然青年基金、博后面上、上海市启明星(扬帆专项)人才计划、上海市超级博士后人才计划、复旦大学超级博士后人才项目、校企联合实验产业化验证项目等。获得中国民族医药学会科学技术奖三等奖、昆仑台2024年度宠业科学家奖、2024高等院校发明选拔赛银奖、第18、19届iCAN大学生创新创业大赛上海赛区优秀指导教师等。在Electrochemical Energy Reviews、Innovation、Advanced Materials、Advanced Science等国际权威学术刊物上发表SCI论文30余篇被引总计900余次。近五年申请发明专利30余项，授权发明专利5项。
基金支持
本工作得到国家重点研发计划(2024YFE0204600)、国家自然科学基金(62305068、62074044)以及上海2025"先锋计划"生物混合机器人主题项目第三批(25XF3201000)资助。
引用信息
Xu, Y.; Dai, H.; Ye, Q.; Zhang, W.; Wang, N.; Xiong, L.; Guo, R. Nanocellulose-based bio-inks for 3D bioprinting: advances and prospects in bone and cartilage tissue engineering. Soft Sci. 2026, 6, 7. https://dx.doi.org/10.20517/ss.2025.107
本文由作者团队提供，SS 编辑部整理排版。
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