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2026-06
基于天然生物材料的多组分水凝胶生物墨水在 3D 肝脏组织生物打印中的研究进展
金大根，金敏锡，李钟完 韩国浦项科技大学 融合信息技术工程系，韩国龟尾国立科技大学 机械系统工程系，韩国 龟尾⁴韩国浦项科技大学 交叉学科生物科学与生物工程学院等
三维（3D）打印体外组织模型因增强细胞响应性与功能性的优势，广泛应用于生物医学领域，在肝脏组织工程的药物筛选、疾病研究及肝再生医学中成效显著。但肝脏结构与生理特征复杂，传统单一组分生物墨水存在诸多不足，多组分生物墨水可兼顾打印支架的力学性能与细胞功能，成为构建3D功能性体外肝脏组织模型的理想策略。本文系统综述3D生物打印肝脏组织用多组分水凝胶生物墨水，阐述适用打印方法与关键考量因素，分类评价常用基材，汇总应用研究并分析局限性与核心问题。
1 引言
3D打印技术结合活体细胞构建体外组织模型，已从初期的细胞培养支架构建，转向模拟体内生理结构的模型研发。二维（2D）培养环境下细胞形态与生理反应偏离体内状态，而3D打印结构可营造接近天然组织的生长微环境，需综合考量打印工艺、材料性能等影响细胞活性的因素。
负载细胞的生物墨水以液态包裹细胞，经热、光等刺激固化，为细胞提供稳定相容环境，但其单一组分难以兼顾打印适配性与生物相容性。多组分生物墨水可模拟组织特异性细胞外基质（ECM）功能，广泛应用于肝等组织的3D功能性模型构建。
肝脏由多种细胞组成，结构功能复杂，2D单层培养的肝细胞表型异常且难以长期维持功能。3D细胞培养技术可重现体内微环境，提升肝细胞存活时间与功能。目前3D体外肝脏组织模型包括预制支架型、3D打印型、无支架型及器官芯片型，其中3D生物打印技术可精准递送多种细胞及ECM组分，构建多尺度异质性支架，应用前景广阔。本文综述3D肝脏组织生物打印用多组分水凝胶生物墨水，介绍常用打印方法与关键影响因素，重点探讨天然生物材料基材的多组分生物墨水，总结其在肝脏组织工程领域的应用。
2 3D生物打印技术概述
3D生物打印技术可按预设结构层层堆叠负载细胞的生物墨水，实现2D培养难以达成的细胞间及细胞-基质相互作用，且工艺灵活，能制备多尺度组织结构。肝脏组织工程中常用技术如下：
2.1 生物打印技术类型：优势与局限性
喷墨式生物打印借助多种作用力将生物墨水液滴逐滴沉积，液滴尺寸可控、分辨率高，多喷嘴系统可同步打印多种材料，但需低黏度墨水导致结构稳定性差，且存在液滴不均、喷嘴堵塞及细胞损伤风险。光辅助生物打印通过光源投射诱导光敏聚合物光聚合，包括数字光处理（DLP）与激光辅助系统，分辨率高、打印速度快、支架完整性好，但材料选择受限，光交联过程可能引发细胞毒性。挤出式生物打印将生物墨水以线状挤出堆叠，适用材料范围广，可集成多头或同轴喷嘴系统制备异质性支架，还能通过牺牲材料构建血管样通道，虽分辨率较低，但在仿生组织制备中优势显著，星芒科学仪器的生物打印机便涵盖了适配这类主流工艺的相关设备，可满足不同仿生组织的打印需求。
肝脏组织工程常用 3D 生物打印技术的示意图及性能对比（A）3D 生物打印技术示意图，包括喷墨式生物打印、光辅助打印系统及挤出式生物打印；（B）3D 生物打印技术在材料选择、高宽比及分辨率方面的性能对比。喷墨式、光辅助式及挤出式打印技术的代表性图片。图片经授权转载自 Faulkner-Jones 等（2015）、Ma 等（2016）、Hiller 等（2018）的研究成果。
3 3D生物打印用生物墨水的设计考量因素
生物墨水是3D生物打印的核心，其黏度决定打印结构的形状保持能力与成型精度，交联密度调节打印后力学性能。同时，生化与生物物理特性影响细胞生长、迁移及组织形成。
3.1 生物墨水的核心考量因素
打印适配性直接决定支架尺寸与结构精度，取决于流变学特性与交联机制，高黏度墨水利于结构稳定，可通过调节聚合物浓度、温度等调控黏度；交联分为物理与化学交联，对维持支架形状精度与长期稳定性至关重要。生物学性能要求生物墨水具备与目标组织ECM相近的特性，添加生物活性组分可促进细胞黏附增殖，调节基质刚度可引导细胞行为。在实际应用中，星芒科学仪器提供的3D打印PDMS墨水、3D打印CS墨水等试剂耗材，其性能参数便围绕这些核心考量因素设计，适配各类生物打印需求。
星芒科学仪器3D打印Mg/PCL墨水、3D打印CS墨水、3D打印PDMS墨水、柔性液态金属导电墨水
3.2 单一组分生物墨水的局限性
单一组分生物墨水难以同时满足打印适配性与生物功能性要求，高黏度或高交联密度虽能维持结构稳定，但会限制细胞生理行为；柔软基质利于细胞生长却难以保证结构稳定。此外，单一天然生物材料无法模拟天然ECM的复杂性，难以实现活组织的形态与功能。
4 用于3D肝脏组织生物打印的多组分水凝胶生物墨水
多组分生物墨水由两种及以上材料复合而成，可弥补单一组分不足，通过调控流变学特性实现打印适配性与结构稳定性统一，添加生物活性物质提升生物学性能，是当前研究趋势。肝脏组织打印中，天然生物材料（含半合成材料）基材的多组分生物墨水应用广泛。
4.1 多组分生物墨水的类型
多组分生物墨水分为四类：多材料生物墨水由可共价交联的多种材料组成；互穿网络生物墨水含多种材料，各材料通过独立交联机制形成缠绕的复合网络，可提升力学稳定性；纳米复合生物墨水添加纳米颗粒，增强支架刚度并改善剪切稀化行为，还可调控细胞行为；超分子生物墨水基于主-客体相互作用实现超分子交联，具有自修复能力，可避免细胞损伤。
多组分水凝胶生物墨水的四种互穿网络结构示意图（A）均相网络；（B）互穿网络；（C）纳米复合网络；（D）超分子网络。图片经授权转载自 Li 等（2021）的研究成果。
4.2 基于天然生物材料的多组分水凝胶生物墨水
壳聚糖生物相容性、生物降解性良好，分子结构与糖胺聚糖相似，但生理条件下不溶于水，目前尚无其基多组分生物墨水用于肝脏3D打印的报道。而星芒科学仪器已推出3D打印CS墨水（壳聚糖墨水），为壳聚糖基生物墨水的相关研究与应用提供了耗材支撑。
海藻酸盐应用广泛，可与多价阳离子快速形成水凝胶，生物相容性好、性能易调控，但生物惰性强、低浓度下黏度不足，与纤维素纳米晶、明胶甲基丙烯酸酯、甲基纤维素等复合可改善性能，提升打印适配性与细胞相容性。胶原蛋白能营造类体内微环境，调控肝细胞表型，可在生理温度热交联，但力学性能弱、凝胶化难控制，与其他天然聚合物复合或改性为光交联型，可提升打印适配性与生物活性。
基于海藻酸盐的多组分生物墨水（A）两种生物墨水（4% 明胶甲基丙烯酸酯与 135ACG）的流变学性能：（a）两种生物墨水的流动特性；（b）两种生物墨水的储能模量（G’）与损耗模量（G”）随振荡频率的变化曲线；（c）135ACG 水凝胶负载细胞与未负载细胞状态下，压缩模量随培养时间（14 天）的变化趋势。图片经授权转载自 Wu 等（2020）的研究成果；（B）algMC 生物墨水的性能表征：（a）无细胞核壳纤维的立体显微镜图像，纤维内部具有分区化的核壳结构，比例尺：2 mm；（b）负载人肝癌细胞（HepG2）的 algMC 生物墨水，在添加基质胶与未添加基质胶条件下的细胞活性对比（n = 6，平均值 ± 标准差，****p < 0.0001）；（c）负载 HepG2 细胞的 algMC 生物墨水，在两种条件下的细胞增殖能力对比（n = 3，平均值 ± 标准差，*p < 0.05）；（d）两种条件下，algMC 生物墨水中 HepG2 细胞的形态与分布特征。图片经授权转载自 Taymour 等（2021）的研究成果。
星芒科学仪器3D打印Mg/PCL支架–快速成型、多重交联、结构稳定、生物相容性、生物降解、促进骨组织生长
明胶是胶原蛋白衍生物，分子结构与功能相似，富含细胞黏附序列，可可逆溶胶-凝胶转变，应用范围广，但热稳定性差、力学性能不足。通过化学改性引入光聚合官能团，或与海藻酸盐等复合，可提升打印适配性；添加ECM组分可增强生物活性。脱细胞基质（dECM）保留天然ECM的成分与结构，能构建组织特异性微环境，诱导干细胞分化，可在生理温度凝胶化，但力学稳定性差、凝胶化慢。与其他可交联水凝胶复合、引入甲基丙烯酸基团或添加光交联剂，可提升打印适配性。肝脏来源dECM与明胶甲基丙烯酸酯等复合的生物墨水，可实现高形状精度打印，且能维持高细胞活性与肝脏特异性功能。
基于胶原蛋白的多组分生物墨水光交联型改性胶原蛋白生物墨水（甲基丙烯酰胺改性鼠尾 I 型胶原蛋白（RCPhC1-MA）、降冰片烯功能化鼠尾 I 型胶原蛋白（RCPhC1-NB）、巯基化鼠尾 I 型胶原蛋白（RCPhC1-SH））的性能表征：（a）37℃条件下，浓度为 7.5% 和 10%（质量体积比）的 RCPhC1-NB/SH 与 RCPhC1-MA 溶液，在 2 mol% 锂苯基 – 2,4,6 – 三甲基苯甲酰基次膦酸酯（Li-TPO-L）存在下的流变学性能；（b）利用不同图案（维也纳工业大学、布鲁塞尔光子学研究中心、比利时材料研究中心）验证光交联型胶原蛋白基生物墨水的打印适配性（左图：10%（质量体积比）RCPh1-NB/SH；右图：RCPhC1-MA），比例尺：100 μm；（c）激光扫描显微镜下，表达绿色荧光蛋白的脂肪间充质干细胞（ASCs-GFP）在不同聚合物浓度与激光功率条件下，打印于 RCPhC1-NB/SH 水凝胶立方体中的存活状态；（d）不同聚合物浓度与激光功率条件下，RCPhC1-NB/SH 水凝胶立方体中细胞增殖能力随时间的变化趋势。DS：取代度。图片经授权转载自 Tytgat 等（2020）的研究成果。
基于明胶的多组分生物墨水（A）明胶甲基丙烯酸酯与胶原蛋白复合生物墨水的性能表征：（a）明胶甲基丙烯酸酯与明胶甲基丙烯酸酯 – 胶原蛋白复合生物墨水制备的无细胞支架的形状精度对比，比例尺：1 mm；（b）不同浓度 Ru/SPS 引发体系下，负载人乳腺癌细胞（MCF-7）的明胶甲基丙烯酸酯 / 胶原蛋白复合生物墨水的细胞活性；（c）光引发剂 Ru/SPS 浓度为 0.2 mM/2 mM 和 2 mM/20 mM 时，复合生物墨水中 MCF-7 细胞的活 / 死染色图像，比例尺 = 100 μm。图片经授权转载自 Lim 等（2016）的研究成果；（B）明胶甲基丙烯酸酯的性能表征：（a）GelMA 3 制备的负载细胞支架的形状精度，比例尺：200 μm；（b）HepG2 细胞分别负载于 GelMA 1、GelMA 2 及 GelMA 3 中，培养 5 天内的细胞活性变化趋势。图片经授权转载自 Cui 等（2019）的研究成果。
5 基于天然生物材料多组分水凝胶生物墨水的3D打印肝脏组织模型
科研人员利用多组分生物墨水制备可长期维持高活性与高功能的3D类肝脏组织，应用于药物筛选、疾病模型及肝再生等领域。
5.1 药物筛选与体外疾病模型
结合3D肝脏支架与微流控技术的药物筛选平台成为研究主流。Yu等利用DLP打印技术，以肝脏dECM与明胶甲基丙烯酸酯复合生物墨水负载人诱导多能干细胞来源肝细胞，构建的模型可促进肝细胞成熟。Mazzocchi等以甲基丙烯酸化I型胶原蛋白-巯基化透明质酸复合生物墨水，构建含原代人肝细胞与肝星状细胞的共培养模型，对乙酰氨基酚的生理响应符合预期，适用于药物筛选。Xie等利用明胶-海藻酸盐生物墨水构建患者特异性肝细胞癌模型，细胞存活率高，可稳定表达肿瘤标志物，能评估多种药物疗效。此外，Ma等利用DLP技术打印肝癌组织模型，研究肝硬化微环境中肝细胞癌的进展机制。
5.2 肝再生模型
研究人员致力于制备可植入式3D肝组织模型，通过微模块组装可制备大体积类肝小叶微组织，共培养体系能提升细胞活性与肝脏功能。Wu等采用挤出式打印技术，以甲基丙烯酰化明胶-丙烯酰化明胶复合生物墨水制备仿肝小叶蜂窝状支架，双细胞共培养体系可维持细胞活性与功能14天以上。这类组织支架的定制化加工服务，也属于星芒科学仪器的核心业务范畴，可提供骨组织工程支架、血管气管支架等类似结构的加工制备。
星芒科学仪器骨组织工程支架、血管气管支架
Taymour等结合同轴喷嘴技术，以含ECM成分的海藻酸盐-甲基纤维素生物墨水制备核-壳纤维状支架，改善细胞行为并上调肝细胞特异性标志物表达。Ma等利用DLP技术制备六边形肝组织模型，实现肝细胞与支持细胞分区培养，肝脏特异性功能维持时间长。Yang等构建的海藻酸盐-明胶复合生物墨水打印支架，移植到肝损伤小鼠模型后实现完全血管化，可持续合成肝脏特异性蛋白与药物代谢产物。
6 结论与未来展望
3D生物打印技术可精准递送生物墨水，重建肝脏复杂结构，在肝组织模型构建中应用广泛。多组分生物墨水整合单一组分优势，解决了打印适配性与生物功能性难以兼顾的问题，推动了功能性肝组织模型的发展。但当前研究仍存在诸多挑战：肝源性dECM成分不确定、脱细胞工艺缺乏标准化；光交联技术可能引发细胞毒性；构建完全模拟天然肝脏特性的体外模型难度大。
未来需深入解析肝脏ECM组成与功能，建立标准化脱细胞工艺，结合基因工程技术实现脱细胞基质的临床转化；开发生物相容性好、交联快速的交联策略；推动干细胞技术、微流控技术等多学科协同发展，构建个性化肝组织模型，实现肝组织功能实时监测与大体积组织制备。
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