用于再生医学的胶原蛋白生物墨水

在再生医学领域， 3D生物打印的重要性不言而喻且不可忽视。然而，3D生物打印技术还需要性能优异的生物墨水作为支撑材料来制造多功能仿生支架。胶原基生物墨水因其优异的生物相容性、可控的打印适性和细胞负载特性而被认为是理想的3D生物打印墨水。随着基于胶原蛋白的生物墨水的进展，它可以制造出具有不同功能的仿生支架并应用于不同的修复场景，这是再生医学的一个重要突破。

本综述总结了基于胶原蛋白的生物墨水的不同应用，并将其分类为软组织和根据目标区域的硬组织。目标区域在软组织中的应用包括皮肤、软骨、心脏和血管，在硬组织中的应用包括股骨、颅骨、牙齿和脊柱。胶原基生物墨水应用于软组织修复时，功能要求更高，而硬组织修复则需进一步提高力学性能。我们进一步总结了基于胶原蛋白的生物墨水的特点，并指出了在不同的修复场景中应考虑的最重要的特性，这可以为不同功能的生物墨水的制备提供参考。最后，我们指出了基于胶原蛋白的生物墨水面临的主要挑战并展望了未来的研究方向。

 图1 使用胶原蛋白生物墨水制造仿生支架的示意图及其在软硬组织修复中的应用。仿生心脏组织转载自之前的报道

胶原蛋白是常用的3D打印生物墨水之一，直接制备胶原蛋白水凝胶负载细胞或与其他生物材料混合进行打印。为了制造高保真度的支架，通常对基于胶原蛋白的生物墨水进行一些预处理，以通过以下策略来提高可打印性：1）修饰胶原蛋白以改变其化学性质以诱导交联；2)将胶原蛋白打印在支撑物上，去除支撑物后得到支架；3)使用胶原蛋白作为粘合剂或交联剂制备复合油墨。这些策略提高了胶原基生物墨水的打印性能并带来更广泛的应用领域。

1.1皮肤

3D生物打印皮肤仍处于起步阶段，目前的研究大多集中在宏观尺度上，以实现皮肤层状结构的复制。研究人员尝试了不同的3D打印方法、生物墨水和细胞类型（如图2所示），但具有分层表皮和血管、神经支配和弹性真皮的功能齐全的皮肤尚未见报道。如何通过3D打印技术控制仿生皮肤的微纳米结构，充分再现其层状结构和功能，是人造皮肤的下一步发展方向。

图2 皮肤的分层结构，以及基于胶原蛋白的生物墨水制造的支架的修复过程和治疗策略

1.2软骨

在过去的几十年里，科学家们一直试图寻找治疗关节软骨损伤的最佳方法。但由于免疫排斥反应、供体来源不足、软骨合成不良、远期疗效较差等原因，尚无符合临床应用要求的治疗策略。组织工程提供了一种通过细胞3D打印支架进行软骨修复/再生的新方法，可以克服供体短缺和免疫排斥的困难。组装好的支架在体外培养，然后移植到缺损部位，大大加速了软骨损伤的修复过程。采用基于胶原蛋白的生物墨水3D打印的仿生支架用于模拟天然软骨结构，在软骨组织修复方面表现出优异的功能，为软骨组织再生提供了良好的治疗策略。

1.3血管

血管最重要的功能是将含氧血液从心脏输送到身体的不同部位，并将脱氧血液从不同部位返回心脏。此外，它还负责维持血液和组织中溶质和水之间的适当平衡，保护实质细胞免受间质液剪切，并向周围组织提供适当的物理和化学信号。

2. 胶原蛋白生物墨水在硬组织修复中的应用

硬组织是人体不可缺少的部分，主要包括牙釉质、牙本质、头骨、股骨、下颌骨。与软组织相比，硬组织含有矿物质，但不同部位的钙化程度存在差异。除了骨骼有一定的再生特性外，大多数硬组织都缺乏自我修复的能力。当缺损的大小达到或超过临界阈值时，骨再生将失败。除了自体骨移植之外，通过组织工程策略修复硬组织的需求也在增长。硬组织工程支架通过3D打印胶原蛋白生物墨水制造也引起了越来越多的关注。

2.1颅骨

图4 基于胶原蛋白的生物墨水3D打印支架的制造过程和头骨治疗策略示意图

2.2股骨

图5 基于胶原蛋白的生物墨水3D打印支架的制造过程和股骨治疗策略示意图

2.3牙齿和脊柱

基于胶原蛋白的生物墨水被用来制造仿生支架来修复牙齿缺损甚至受损的整牙，这对未来的牙齿再生和转化牙科的临床治疗是一个重要的挑战。由于脊髓无法自我再生，目前尚无临床治疗方法可以完全治愈SCI。如何实现神经修复可以引导轴突再生并靶向神经元形成功能性突触，对SCI后的临床恢复具有重要的现实意义。脊柱修复前需要考虑生物降解率、生物相容性、材料安全性等性能。仿生支架可以促进全脊髓横断后的运动修复和神经重塑，该支架由基于胶原蛋白的生物墨水制成，并与生长因子、细胞外分泌物和其他生物活性物质相互作用（图6）。

图6 基于胶原蛋白的生物墨水3D打印支架的制造过程示意图以及牙齿和脊柱的治疗策略

3.总结与展望

胶原蛋白是不溶性纤维蛋白，是构成ECM的主要成分，在人体内普遍存在。作为生物材料，胶原蛋白表现出一些优异的性能，如生物相容性、生物可降解性、机械性能和细胞活性。这些特性使得胶原蛋白支架非常适合生物医学应用，包括伤口愈合、组织工程、医疗器械的表面涂层和再生医学。基于胶原蛋白的生物墨水和3D打印的结合在再生医学和缺陷修复中人造器官的制造中显示出巨大的潜力。

在过去的十年里，基于胶原蛋白的生物墨水3D生物打印技术已经取得了长足的发展，并将在未来取得进一步的进步。在这篇综述中，我们对目前基于胶原蛋白的生物墨水在再生医学中的报道进行了详细的总结，并根据软组织和硬组织的不同应用场景将其分为两部分。当应用于不同的组织时，对胶原基生物墨水的性能会有不同的具体要求。这也是这篇关于胶原蛋白生物墨水应用综述的意义，在面对软组织修复时，胶原基生物墨水对制造组织工程支架的功能要求较高，而对力学性能的要求可适当减弱。当基于胶原蛋白的生物墨水应用于皮肤修复时，最受关注的是如何构建具有真皮和表皮的多层仿生皮肤并快速再生；应用于软骨修复时，构建仿生支架，可承受较强的载荷并起到润滑作用；当应用于心脏时，目前的胶原基支架主要关注如何制作大型心脏模型或制备不同的心脏补片来修复损伤；应用于血管时，实现不同大小、不同的血管网络血管化作用必须考虑仿生组织。但考虑到硬组织修复，胶原基生物墨水对成型的力学性能要求更高，也希望在制造组织工程支架时具有优异的修复效果。当胶原基生物墨水制成的组织工程支架用于颅骨修复时，支架外观与缺损形态的匹配非常重要；当应用于股骨修复时，制造大尺寸骨骼并实现与周围组织的整合和再生是一个挑战；当应用于牙齿时，支架的机械性能和不同层状结构与牙齿的匹配也非常重要；当应用于SCI时除了合适的形状外，神经再生和运动功能恢复也是必须关注的问题。

总结这些研究，我们知道基于胶原蛋白的生物墨水在再生医学应用的广度和深度上都取得了长足的发展。然而进展并没有想象中那么快，这主要与基于胶原蛋白的生物墨水缺乏完美的性能有关。影响胶原蛋白生物墨水质量的参数有很多，包括打印性能、细胞负载能力、组织再生功能、智能响应特性等。我们总结这些参数，以针对胶原蛋白生物墨水存在的问题，并展望未来发展方向。

胶原蛋白的特性使其应用前景非常广阔，特别是随着获取人工胶原蛋白新技术的发展。利用胶原蛋白生物墨水制造的具有完美形状和功能的仿生组织工程支架可以为器官移植提供良好的替代品对于再生医学，最终使科学和医学进一步发展，不再担心器官短缺。如果综述中提到的这些现有困难得到解决，基于胶原蛋白的生物墨水将在现有应用的基础上得到进一步发展。除了用于单一硬组织或软组织外，还可以实现大规模、复杂的多结构组织再生，这也是基于胶原蛋白的生物墨水的最终目标。

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