该研究由任晓翔(Xiaoxiang Ren)、王建(Jian Wang)、吴岩(Yan Wu)等学者共同完成，团队成员来自上海大学转化医学研究所、上海新华医院骨科、上海市第六人民医院等机构。研究成果发表于2024年的《Journal of Materials Science & Technology》期刊第188卷84-97页。
本研究属于生物材料与组织工程领域，聚焦于骨组织再生中的3D生物打印技术。数字光处理(Digital Light Processing, DLP)3D打印因其高分辨率、快速打印速度和良好生物相容性而备受关注。然而，适合DLP打印的生物墨水选择有限，现有材料往往存在均一性差、光聚合特性不足或机械性能不佳等问题。特别是用于骨再生的生物墨水需要同时满足打印性能、力学强度和促成骨能力的要求。
研究团队针对这些问题提出创新解决方案：通过一锅法(one-pot)合成基于甲基丙烯酸化明胶/藻酸盐与羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HAP)的混合生物墨水。这种新型生物墨水旨在解决传统简单混合材料的不均匀性问题，同时提高机械性能和成骨能力，为骨组织工程提供更优的DLP打印解决方案。
研究采用三步一锅法分别制备了三种生物墨水： 1. GelMA(甲基丙烯酸化明胶)：将10g明胶溶解于去离子水，加入4ml甲基丙烯酸酐，50℃反应3小时 2. Gel/AlgMA(明胶/藻酸盐复合物)：将明胶与1%藻酸钠溶液混合后加入甲基丙烯酸酐反应 3. Gel/Alg/HAP(含羟基磷灰石的复合物)：在藻酸钠溶液中加入CaCl₂和NaH₂PO₄提前形成HAP前体，再与明胶混合进行甲基丙烯酸化反应
所有产物均经过7天的透析纯化和冻干处理。研究人员使用核磁共振(¹H NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证了化学修饰的成功。
研究进行了全面的材料表征： - XRD分析：确认Gel/Alg/HAP中羟基磷灰石的结晶结构 - XPS分析：测定元素组成，特别是钙磷含量 - 热重分析(TGA)：评估材料热稳定性，Gel/Alg/HAP在600℃残渣达28.2%，证实无机成分存在 - 流变学测试：测定储能模量(G’)和损耗模量(G″)，Gel/Alg/HAP展现出最优的机械性能(约5×10³ Pa)
使用EFL-BP-8601 Pro型DLP打印机进行打印参数优化： - GelMA：光强10 mW/cm²，曝光时间12s - Gel/AlgMA：光强10 mW/cm²，曝光时间10s
- Gel/Alg/HAP：光强14 mW/cm²，曝光时间12s
通过计算打印性因子(Printability Factor)和扩散率(Diffusion Rate)评估打印精度，所有生物墨水均展现出良好的打印性能，分辨率达20μm。
建立SD大鼠颅骨缺损模型(5mm直径)： - 实验组：植入三种生物墨水打印的支架(n=36) - 对照组：空白缺损 评估时间点：4周和8周后通过micro-CT和组织学分析： - Micro-CT参数：骨体积分数(BV/TV)、骨密度(BMD)、小梁数量(Tb.N) - 组织学染色：H&E、Masson、OPN、Runx2、VEGF免疫组化
材料合成成功：¹H NMR显示甲基丙烯酸化特征峰(5.3和5.5ppm)，FTIR确认HAP的特征吸收峰(567、603和1035 cm⁻¹)。
机械性能提升：Gel/Alg/HAP的压缩模量达19.4±1.98 MPa，较纯GelMA(7.8±1.56 MPa)提升约220%。
优异的打印性能：所有生物墨水打印精度达20μm，能成功构建复杂结构如耳朵和微针模型。
体外生物相容性：活死染色显示7天后细胞存活率高于90%，含HAP组CCK-8吸光度值显著提高(p<0.05)。
体内成骨效果：8周时Micro-CT显示：
本研究成功开发了一种新型一锅法合成的Gel/Alg/HAP混合生物墨水，为DLP生物打印在骨组织工程中的应用提供了创新解决方案。该材料具有以下优势： 1. 合成工艺创新：一锅法实现了多种成分的均匀整合，避免了传统简单混合的不均匀性问题 2. 性能全面：兼具优异的打印性、机械强度和生物相容性 3. 促成骨效应：HAP的加入显著增强体外成骨分化和体内骨再生能力
科学价值在于： - 为DLP生物打印提供了新型多组分复合生物墨水设计方案 - 展示了一锅法合成在生物材料制备中的优势 - 为复杂组织器官打印提供了新思路
应用价值包括： - 可应用于临床骨缺损修复 - 方法可扩展至其他组织工程领域 - 为大尺寸骨组织构建提供了可能
研究也存在一定局限性，如尚未评估细胞负载打印效果，未来可进一步探索在构建骨类器官等方面的应用。总体而言，该研究为生物墨水的设计和骨再生医学提供了重要参考。