《Biomaterials Advances》：Electrospun fibrous membrane with triple synergistic effects for cancer therapy
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为解决导电生物材料常以牺牲透明度、力学性能与生物相容性为代价的问题，研究人员开发了一种将两性离子鸟氨酸(OrnMA)共价引入明胶甲基丙烯酰胺(GelMA)的新型复合生物墨水。该材料兼具光学透明、可调控力学性能、显著增强的电导率（可达81.72 mS/m）及良好的生物相容性，支持人源星形胶质细胞的3D培养与高分辨率生物打印，为构建功能化工程神经组织提供了新策略。
想象一下，我们正尝试在实验室中构建一块“微型大脑”或修复受损的神经组织。理想的构建“支架”不仅需要像果冻一样柔软、能容纳细胞，最好还能“通电”，因为神经细胞间的信号传递本质上就是电信号。然而，在生物材料领域，导电性、透明度、适宜的机械强度和生物相容性常常像是难以同时抓起的多个“球”。传统方法，如添加金属纳米颗粒（金、银）或碳纳米管，虽然能导电，但可能导致材料不透明、在凝胶中团聚，甚至引发潜在的生物相容性问题。而一些导电聚合物（如聚吡咯）则在生物环境中的长期稳定性上存在挑战。那么，有没有一种材料，能像天然组织一样透明、柔软，同时又具备良好的导电性，并能通过先进的3D生物打印技术被塑造成精密的形状，用于构建神经组织呢？
为了回应这一挑战，一项发表在《Biomaterials Advances》期刊上的研究带来了一个新颖的解决方案。研究人员巧妙地利用了一种在人体内天然存在的氨基酸——鸟氨酸(Ornithine)，将其进行化学修饰，得到带有可光交联基团的鸟氨酸甲基丙烯酰胺(Ornithine methacryloyl, OrnMA)。他们将OrnMA与一种常用的生物材料——明胶甲基丙烯酰胺(Gelatin methacryloyl, GelMA)相结合，开发出了一种新型的GelMA-OrnMA复合生物墨水。这项研究系统地表征了该材料的各项性能，并评估了其在支持神经细胞（人源星形胶质细胞）生长和组织构建方面的潜力，为下一代神经组织工程生物材料的设计提供了重要思路。
本研究采用了一系列关键技术方法来合成、表征材料并评估其生物功能。首先，通过化学合成制备了关键组分鸟氨酸甲基丙烯酰胺(OrnMA)，并与GelMA共混配制了不同比例的生物墨水。其次，利用流变学、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见光谱和电化学阻抗谱等技术，系统地表征了生物墨水及形成的水凝胶的光交联动力学、微观结构、光学透明度、力学性能（压缩模量）、溶胀行为及电导率。最后，研究以人源星形胶质细胞(U118-MG)为模型，通过3D细胞封装培养、活/死染色、代谢活性(XTT)测定、细胞骨架(Phalloidin)与细胞核(DAPI)荧光染色等手段，全面评估了水凝胶的生物相容性及其对细胞增殖、形态和自组织行为的影响。此外，还利用定制的可见光立体光刻生物打印系统，展示了该生物墨水构建高分辨率复杂结构的能力。
3.1. L-鸟氨酸甲基丙烯酰胺合成
研究人员成功地将L-鸟氨酸化学修饰为L-鸟氨酸甲基丙烯酰胺(OrnMA)。通过核磁共振氢谱(1HNMR)分析，确认了鸟氨酸上成功引入了甲基丙烯酰基团，其特征峰出现在5.6–6.2 ppm的乙烯基质子区域。这一合成产物是构建后续功能化水凝胶的基础。
3.2. GelMA-OrnMA生物墨水表征
对制备的不同比例生物墨水进行评估发现，含有5%和10% OrnMA的复合墨水保持了高光学透明度（>90%），而15% OrnMA的墨水则略显浑浊。流变学分析光交联动力学显示，随着OrnMA含量增加，水凝胶的固化速度加快，表明OrnMA的加入提高了交联效率。然而，当OrnMA含量过高（如15%）时，可能导致水凝胶网络异质性增加，表现出一定的脆性。
3.3. GelMA-鸟氨酸水凝胶的物理与微观结构表征
扫描电镜(SEM)观察显示，OrnMA的加入显著改变了水凝胶的微观结构。纯GelMA水凝胶具有均匀的多孔结构，而加入OrnMA后，孔壁上出现了OrnMA纤维的附着和簇状聚集，平均孔径也随之增大。力学测试表明，OrnMA的加入能有效调控水凝胶的硬度：与纯5% GelMA水凝胶（约1.69 kPa）相比，加入10%和15% OrnMA能使压缩模量分别提高约2倍和3倍，达到与脑组织（1–3.5 kPa）相匹配的刚度范围。同时，水凝胶的溶胀比（吸水能力）随着OrnMA增加略有下降，但均保持在90%以上的高水平，表明其具有良好的亲水性和潜在的生物相容性。
3.4. GelMA-OrnMA水凝胶的电学表征
这是本研究的一个核心发现。纯GelMA水凝胶几乎不导电。而引入OrnMA后，水凝胶的电导率实现了显著提升。当使用磷酸盐缓冲液(PBS)作为溶剂时，电导率的提升尤为明显：含15% OrnMA的水凝胶电导率达到约81.72 mS/m，是纯GelMA水凝胶（约4.35 mS/m）的18倍以上。研究者认为，这归因于OrnMA提供的共价结合在两性离子基团，它们能够吸引和稳定溶液中的离子，在电场作用下为离子迁移提供了“跳板”，从而实现了离子导电。这一电导率水平满足了对神经元、星形胶质细胞等电活性细胞进行电刺激所需的导电性要求。
3.5. 生物相容性评估
将人源星形胶质细胞封装在GelMA-OrnMA水凝胶中进行3D培养。活/死染色结果显示，在长达5天的培养期内，细胞在所有组别的水凝胶中均保持了高活力，死细胞极少。XTT细胞增殖实验进一步定量证实，细胞在水凝胶中能够良好地增殖，且含有10%-15% OrnMA的水凝胶似乎更有利于细胞增殖。这表明GelMA-OrnMA复合水凝胶具有良好的细胞相容性。
3.6. 工程化神经组织与生物打印
对培养5天后的细胞进行细胞骨架/细胞核染色发现，OrnMA的加入深刻影响了星形胶质细胞的形态和组织方式。在纯GelMA中，细胞形态随机；而在含OrnMA的水凝胶中，细胞倾向于伸长，形成更接近体内状态的、相互连接的网状结构。细胞核偏心率分析（更接近1表示更细长）和细胞面积测量均证实了这种形态学变化，说明GelMA-OrnMA提供的微环境（可能结合了电学与力学刺激）能引导细胞向更生理相关的表型发展。最后，研究利用定制的生物打印系统，成功使用含有细胞的GelMA-OrnMA生物墨水打印出了具有精细特征（如细支和圆环）的高分辨率支架。打印出的结构中的细胞在培养后同样展现出良好的活性和伸长的形态，证明了该生物墨水在构建复杂工程化神经组织方面的应用潜力。
研究结论与意义
本研究成功开发并系统评估了一种基于GelMA和OrnMA的新型导电复合生物墨水。该材料体系的主要优势在于协同整合了多种理想特性：优异的生物相容性与细胞支持能力、可调的力学性能以匹配神经组织、高光学透明度，以及通过引入两性离子OrnMA而获得的可观的电导率。尤为重要的是，这些特性并未以相互妥协为代价。此外，该墨水适用于高分辨率的可见光3D生物打印，为制造结构复杂的工程组织提供了可能。
这项研究的核心意义在于，它提出了一种不依赖传统导电添加剂（如金属纳米颗粒、碳纳米管）来实现水凝胶导电性的新策略。通过将天然氨基酸衍生物（OrnMA）共价整合到生物聚合物网络中，不仅赋予了材料导电功能，还同时优化了其物理和生物性能。这避免了外源性纳米材料可能带来的潜在风险，并提供了一种更接近生理环境的离子导电机制。研究成果为神经组织工程、特别是需要电信号传导的脑组织模型构建、神经修复支架开发以及基于电刺激的细胞疗法等领域，提供了一种极具前景的多功能生物材料平台。未来，该材料在与其他神经细胞（如神经元）共培养、长期电刺激实验以及体内植入评估中的表现，值得进一步探索。
