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本研究开发了整合纤维素纳米晶体（CNC）、羧甲基纤维素（CMC）和甲基纤维素（MC）的HA基生物墨水，系统研究了纤维素材料结构及浓度对手触变性、3D打印性能及降解动态的影响。结果表明：CNC作为纳米增强相显著提升水凝胶机械性能，CMC和MC优化预交联流变学行为，复合墨水经光交联后形成结构完整、机械性能优异的打印体，其中HA/CNC水凝胶14天内保留83%初始强度。该研究揭示了纤维素材料调控HA生物墨水多尺度特性的协同机制，为构建可调控打印性能、机械性能及降解行为的生物打印支架奠定理论基础。
陈思琪|丁可娇|季彤|孙浩|魏云昭|任泽春|徐敏
教育部生物基材料科学技术重点实验室，东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040，中国
摘要
尽管透明质酸（HA）具有优异的生物相容性，但其三维打印性能较差，机械性能不足，在组织工程应用中降解过程难以控制。本研究通过将纤维素材料（包括纤维素纳米晶体（CNC）、羧甲基纤维素（CMC）和甲基纤维素（MC）整合到甲基化透明质酸基质中，开发了基于HA的生物材料墨水。系统地阐明了纤维素材料结构和浓度对流变特性、三维打印性能以及降解过程中物理性质变化的影响。结果表明，CNC作为纳米增强相可以提高水凝胶的机械性能，而CMC和MC则作为流变改性剂改善了预交联过程中的流变行为。将不同浓度的纤维素材料掺入HA基质中，是调节水凝胶机械性能的有效策略。经过光交联后，制备的生物材料墨水能够生成具有高机械性能和稳定性的完整打印结构。HA/CNC水凝胶在14天内仍保持了约83%的初始强度，在整个降解过程中保持了承载能力和结构完整性。本研究揭示了纤维素材料调节HA生物材料多尺度性能的协同机制，为开发高保真度、机械性能可调且降解可控的三维打印组织工程支架提供了理论基础。
引言
组织工程结合了工程学、医学和生理学的原理和方法，构建具有特定结构和功能的三维组织支架，从而实现受损组织和器官的修复与再生[1]、[2]。近年来，3D生物打印技术通过快速精确的空间图案化能力推动了组织工程的发展，实现了细胞组织的时空控制和天然组织结构的仿生[3]、[4]。生物材料墨水是3D生物打印的关键要素，因为它们的流变特性、打印性能以及交联后的机械和生物性能直接决定了最终支架的质量[5]。这项技术的主要瓶颈在于开发同时具备优异打印性能、生物相容性以及功能性组织构建所需机械和生物活性的生物材料墨水[6]、[7]。
透明质酸（HA）是一种天然存在于细胞外基质（ECM）中的线性多糖，具有优异的生物相容性、生物降解性和细胞黏附性，因此被广泛用于各种生物医学应用中的可注射水凝胶设计[8]、[9]。HA已获得FDA批准用于多种医疗用途[10]。然而，纯未改性的HA在工作浓度下缺乏屈服应力和打印后的形状保真度，使其不适合作为基于挤出的生物材料墨水直接使用[11]。为了解决这一问题，研究人员采取了多种策略，包括通过甲基化或硫醇化对HA进行化学修饰，引入可通过光交联或迈克尔加成反应固化的交联功能基团[12]、[13]、[14]；将HA与其他聚合物（如明胶、海藻酸盐和胶原蛋白）混合以增强粘度和屈服应力[15]、[16]；或者通过离子、酶或pH介导的机制形成弱凝胶网络，随后通过光交联等二次交联构建双网络结构[17]、[18]。虽然这些策略有效提高了HA的加工性能，但HA和其他天然聚合物水凝胶的机械性能和降解速率仍然有限，限制了其临床应用。用于组织工程的生物材料不仅需要提供特定的生物信号，还需要创造一个支持细胞迁移、增殖和分化的适当机械环境，以实现功能性组织再生。
多种生物大分子，包括生物来源和合成聚合物，已被探索作为仿生ECM水凝胶的结构组分，如胶原蛋白、明胶、壳聚糖、纤维蛋白、海藻酸盐和纤维素[19]、[20]。其中，纤维素是一种丰富的天然聚合物，具有优异的生物相容性、生物降解性和低细胞毒性，可以用于多种应用[21]。纤维素纳米晶体（CNC）具有高长径比、高比强度和高模量。原子力显微镜测量显示，单个CNC的横向模量在18–50 GPa范围内[22]，表明它们可作为纳米增强相，有效提高水凝胶基质的压缩强度和弹性模量[23]。甲基纤维素（MC）是最重要的商业纤维素醚之一，具有独特的热凝胶化特性，在生理温度下会发生溶胶-凝胶转变[24]。羧甲基纤维素（CMC）作为一种阴离子多糖衍生物，在生物医学应用中作为有效的增稠剂、流变改性剂和稳定剂[25]。尽管已有研究报道了用于生物打印的纤维素-HA复合系统，但仍存在一些关键限制。许多现有配方依赖于对HA的化学修饰或添加合成交联剂以实现足够的打印性能，这引入了额外的加工复杂性，并可能带来生物相容性问题，阻碍了临床应用[26]、[27]。此外，大多数研究仅关注单一纤维素组分作为添加剂，而没有系统地比较同一HA基质框架内结构和功能不同的纤维素材料的效果[28]、[29]、[30]。尽管这些参数对于在生理环境中精确控制支架重塑至关重要，但现有文献中对支架降解过程中的机械性能动态演变、膨胀行为和降解动力学的关注仍然不足[31]。
基于此，构建了基于HA的复合生物材料墨水系统，其中包含了三种结构不同的纤维素材料（CNC、CMC和MC），以系统研究纤维素类型和浓度对流变特性和三维打印性能的影响。进一步探讨了纤维素材料对机械性能、膨胀特性以及降解过程中物理性质动态变化的影响机制。本研究旨在阐明纤维素材料与HA之间的相互作用机制，建立定量结构-性能关系，并为设计具有可调打印性能、机械性能和降解行为的组织工程生物材料墨水提供理论基础。
材料
纤维素纳米晶体（CNC，直径10–30 nm，长度200–500 nm）购自深圳Cellunano科技有限公司。甲基纤维素（MC，生物技术级，甲氧基含量27–32%）购自上海Macklin生化科技有限公司。羧甲基纤维素钠（CMC，分子量约250,000 Da，25°C下1%水溶液中的粘度为300–800 mPa·s，USP级）购自上海Aladdin生化科技有限公司。透明质酸（HA，分子量=1200 kDa）购自...
流变学和3D打印性能
在基于挤出的3D生物打印中，水凝胶的流变特性直接影响材料的挤出能力和打印结构的完整性。剪切稀化行为和适当的屈服应力是成功打印的必要前提（图1a）[32]。图1b显示了生物材料墨水前体溶液在0.01至1000 s?1剪切率范围内的稳态流动曲线。所有生物材料墨水前体溶液均表现出剪切稀化现象
结论
本研究系统研究了三种纤维素材料（CNC、CMC和MC）对MAHA生物材料墨水在3D生物打印中的影响。结果表明，这些材料在力学、流变学、3D打印和体外降解方面存在差异。所有生物材料墨水均表现出一般的剪切稀化行为，能够在喷嘴下连续挤出同时保持优异的打印性能。CNC作为结构增强剂，提高了...
CRediT作者贡献声明
陈思琪：撰写——原始草稿，可视化，方法学，实验设计，数据分析。丁可娇：实验设计，数据分析。季彤：软件应用，数据分析。孙浩：验证，资源准备。魏云昭：方法学，数据分析。任泽春：撰写——审稿与编辑，监督，方法学，概念构思。徐敏：撰写——审稿与编辑，资源管理，项目协调，资金筹措。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金联合基金重点支持项目 [授权号U25A20696]的支持。
