《Materials Today Bio》：Extracellular Matrix-Mimetic Ink for 3D Printing and Minimally Invasive Delivery of Shape-Memory Constructs
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本研究针对传统可注射水凝胶缺乏空间控制能力、而3D打印支架需侵入性手术植入的临床困境，开发了一种基于没食子酸修饰透明质酸（HA-GA）的新型ECM仿生墨水。该墨水利用KI催化氧化交联，实现酸性pH下高精度打印和氨气触发固态共价交联，形成具有形状记忆功能的可注射支架。结果表明，支架支持干细胞黏附、干性维持（NANOG/OCT3/4表达上调）及TGF-β3诱导的软骨分化，并显著清除ROS保护细胞。该策略为复杂组织再生提供了可定制化、微创植入的智能支架平台。
在组织工程和再生医学领域，3D打印技术能够制造出具有复杂结构的组织支架，为修复受损组织提供了希望。然而，这些精心打印的构造通常需要通过外科手术植入体内，这不仅会增加感染风险，还会给患者带来痛苦。另一方面，直接注射水凝胶虽然微创，但往往无法精确控制其形状和结构，难以满足骨骼、软骨等需要特定几何形状引导再生的组织需求。这一矛盾成为限制生物材料临床转化的关键瓶颈。发表在《Materials Today Bio》上的这项研究，旨在开发一种既能精确打印又能微创注射的智能材料，巧妙地将3D打印的优势与微创注射的便利结合起来。
为了突破这一技术瓶颈，研究团队聚焦于透明质酸（HA）这一天然细胞外基质成分，通过化学修饰将其与没食子酸（GA）结合，创造了一种新型的生物墨水。研究的关键技术方法包括：利用碳二亚胺化学合成HA-GA聚合物；通过紫外-可见光谱测定GA修饰后的pKa值以指导打印pH条件；采用氨气气相法进行无溶剂交联；利用流变学分析墨水打印性能和凝胶力学强度；通过体外细胞培养评估人间充质干细胞（hMSCs）的黏附、增殖、干性标志物（NANOG, OCT3/4）表达及软骨分化潜能；并运用ABTS法和细胞内ROS检测评估材料的抗氧化能力。
2.1. HA与GA的合成与表征
研究人员通过碳二亚胺化学将没食子酰肼接枝到HA骨架上，合成HA-GA，修饰度约为20%。UV-Vis分析确定GA的第一个pKa为5.85（对应对位酚羟基去质子化），第二个pKa为7.61（对应间位酚羟基氧化交联）。这一pH依赖性行为使得墨水可在酸性条件（pH~5.5）下部分交联以保持打印形状，再通过氨气处理提升pH完成最终固化。a依赖的凝胶形成过程">
2.2. 水凝胶的流变学表征
流变学时间扫描显示，在pH 5.5时凝胶化缓慢，而在pH 11时所有配方均快速凝胶。添加KI显著提高存储模量（G′），HA-GA.Gel的G′在溶胀后超过14000 Pa。剪切稀化行为保证墨水可通过32G针头（内径108 μm）顺利挤出，且打印后能保持结构形状。
2.3. 水凝胶的溶胀与长期稳定性
所有水凝胶在PBS中56天内保持稳定，溶胀度约70%。在酸性条件（pH=4）下结构完好。在透明质酸酶溶液中77天未降解，表明高交联密度限制了酶渗透，但通过降低固体含量可调控降解速率。
2.4. 水凝胶基质对人干细胞的影响
Live/Dead染色显示所有水凝胶均具有高细胞相容性。HA-GA.Gel和HA-GA.μCol因含有明胶/胶原蛋白（提供RGD黏附位点），促进hMSCs铺展和增殖；而HA-GA则促使细胞聚集，更利于干性维持，NANOG和OCT3/4表达分别上调5.8倍和3.1倍。在含TGF-β3的软骨诱导培养基中，所有组均表达胶原II，显示软骨分化潜力。
2.5. 水凝胶的抗氧化性能
ABTS实验表明HA-GA+KI清除90%以上自由基。在H2O2诱导的氧化应激下，HA-GA+KI处理使人真皮成纤维细胞存活率提升至60%，细胞内ROS水平显著降低，证明GA与KI协同抗氧化。
2.6. 3D打印与形状记忆
使用32G针头成功打印10×10×1 mm3结构，HA-GA.Gel和HA-GA.μCol的形状保真度达90%。打印的环状结构可压缩后经G14针头注射，并在释放后迅速恢复原状，展示优异的形状记忆性能。细胞接种证实打印支架支持hMSCs黏附和增殖。
该研究通过创新性地设计HA-GA基仿生墨水，实现了3D打印结构的微创递送与形状恢复。其pH触发交联机制兼顾打印精度与最终力学强度，而KI的引入增强了交联效率与抗氧化性能。支架不仅能通过蛋白质修饰调控干细胞行为（黏附vs.干性维持），还可定向分化为软骨样组织。这种将精密制造与微创植入相结合的策略，为个性化组织工程植入物提供了新的解决方案，尤其在需要几何结构指导再生的软骨修复领域具有重要应用前景。
