用于骨组织工程的3D打印双交联无菌气凝胶支架

本文聚焦于骨组织工程领域，通过3D 打印技术与气凝胶工艺结合，制备出藻酸盐 - 羟基磷灰石（HA）双交联无菌气凝胶支架。研究采用氯化钙老化和戊二醛（GA）蒸汽交联的双重策略，提升了支架的结构完整性与生物活性，经超临界 CO?干燥后形成具有双重孔隙（介孔与大孔）的纳米结构。实验表明，该支架具备良好的生物相容性、血液相容性及骨诱导性，且通过超临界 CO?处理实现无菌化，为个性化骨组织工程应用提供了有前景的解决方案。

思维导图

一、研究背景与目的

骨组织工程挑战：大段骨缺损修复需具备复杂孔隙结构（介孔 + 大孔）和生物活性的3D支架，传统方法存在血管化困难、成本高、无菌性不足等问题。

技术创新点：结合3D打印与气凝胶技术，通过双交联策略（CaCl?老化 + GA 蒸汽交联） 提升藻酸盐- HA 支架的机械性能与降解可控性，并通过超临界 CO?实现无菌化。

二、材料与方法

材料制备

墨水配方：6 wt.% 藻酸盐溶液添加 0-24 wt.% HA，经均质、脱气处理。

3D 打印：Cellink BIOX 打印机，410-μm 喷嘴，60 kPa 压力，12 mm/s 速度，打印后在 1 M CaCl?中老化 1 h。

气凝胶与交联工艺

超临界干燥：乙醇置换后，在 120 bar、40℃条件下用 CO?干燥。

GA 交联：GA 蒸汽（25% 水溶液）处理 1 h，真空去除残留醛基。

性能表征

物理性能：BET（比表面积、孔径）、SEM（形貌）、FTIR（化学结构）。

生物性能：SBF 矿化实验、BALB/c 3T3 细胞 viability（WST-1 法）、 hemolytic activity（人血测试）。

灭菌验证：超临界 CO?（100 bar, 40℃, 30 min）结合 H?O?，TSA/TSB 培养检测无菌性。

CELLINK BIO X

三、关键结果

流变与结构性能

墨水特性：HA 添加提升储存模量（G’），24 wt.% HA 时 G’达 2.95 kPa，剪切稀化指数随 HA 增加而降低。

气凝胶结构：未交联支架孔隙率最高 90.32%（Alg 6%, HA 0%, CaCl? 0.5M1h），双交联后孔隙率降至 59.14%-86.78%，但结构完整性显著提升。
| 配方 | 比表面积（m2/g） | 平均孔径（nm） | 孔隙率（%） |
|------------------|------------------|----------------|-------------|
| Alg 6%, HA 0%, CaCl? 1M1h | 244±12 | 24±1 | 86.78±0.88 |
| Alg 6%, HA 8%, CaCl? 1M1h | 81±4 | 26±1 | 82.27±0.24 |
| Alg 6%, HA 16%, CaCl? 1M1h, GA | 21±1 | 32±2 | 59.58±1.47 |

生物活性与相容性

矿化能力：SBF 浸泡 28 天后，HA 含量 24 wt.% 的支架表面形成大量羟基磷灰石颗粒，Ca/P 比达 1.67，接近天然骨。

细胞活性：BALB 细胞 viability 超 90%，GA 交联组与未交联组无显著差异（p>0.05）。

血液相容性： hemolytic activity 均 < 1.8%，符合 ISO 10993-4 标准（<5%）。

灭菌效果

超临界 CO?处理后，TSA 培养无菌落生长，支架比表面积与孔径变化 < 10%，结构未受破坏。

图1. 由 6 wt.% 海藻酸钠墨水和不同羟基磷灰石（HA）浓度打印的气凝胶在生物活性测试后的扫描电子显微镜（SEM）照片：（a）0 wt.%，（b）8 wt.%，（c）16 wt.%，（d）24 wt.%。气凝胶在浸入模拟体液（SBF）介质之前进行了老化处理并用戊二醛（GA）蒸汽交联。（e）SBF 处理后的 Alg 6%、HA 8%、CaCl? 1M 1h + GA 气凝胶在磷灰石颗粒区域（光谱 1，左）和背景区域（光谱 2，右）的能量色散 X 射线光谱（EDX），该光谱代表了所有测试样品的结果。

图2.3D 打印海藻酸气凝胶的超临界灭菌：(a) 无菌双交联气凝胶支架接种于胰蛋白酶大豆肉汤（TSB）试管中培养 24 小时后的图像。无菌（st）和老化气凝胶支架的光学和扫描电子显微镜（SEM）图像：(b,c) Alg 6%、HA 8%、CaCl? 1M1h、st；(d,e) Alg 6%、HA 8%、CaCl? 1M1h、GA、st。气凝胶在两种不同放大倍数下观察。

四、结论

技术优势：双交联策略显著提升支架的机械强度与抗降解能力，超临界 CO?干燥保留纳米孔隙，HA 含量 8 wt.% 时综合性能最佳。

应用前景：该支架兼具定制化 3D 结构、双重孔隙网络、生物活性及无菌性，为个性化骨组织工程提供了新型候选材料。

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