一、研究背景

在骨組織工程中，3D打印技術(shù)被廣泛用于制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的骨支架。明膠（Gelatin, Gel）因其良好的生物相容性和可模擬細(xì)胞外基質(zhì)的特性而被廣泛應(yīng)用，但其機(jī)械強(qiáng)度不足、降解速率不穩(wěn)定，需與其他材料復(fù)合以增強(qiáng)性能。羥基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）是一種天然存在于骨組織中的生物陶瓷，具有優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性和生物活性，可顯著提升支架的機(jī)械強(qiáng)度和成骨能力。羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）作為一種天然多糖，常用于調(diào)節(jié)水凝膠的粘度和穩(wěn)定性，改善其打印性能。

然而，3D打印過程中，水凝膠墨水的流變性能（如粘度、儲能模量、損耗模量）對打印精度和結(jié)構(gòu)保真度有重要影響。優(yōu)化墨水配方和打印參數(shù)，以實現(xiàn)高形狀保真度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是當(dāng)前研究的關(guān)鍵。

二、研究內(nèi)容

本研究系統(tǒng)探討了不同濃度的明膠（7.5%和15% w/v）和羥基磷灰石（10%和20% wt%）對HA/Gel/CMC水凝膠墨水的流變性能、打印適性和支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。具體研究內(nèi)容包括：

• 制備不同配比的HA/Gel/CMC水凝膠墨水，評估其流變性能（粘度、儲能模量、損耗模量、剪切稀化行為）。
• 通過溫度掃描測試確定各組水凝膠的凝膠溫度，分析HA和Gel濃度對凝膠溫度的影響。
• 進(jìn)行打印適性測試，評估不同配方在不同打印溫度和壓力下的打印表現(xiàn)，確定最佳打印參數(shù)。
• 通過絲材坍塌測試評估打印結(jié)構(gòu)的形狀保真度和穩(wěn)定性，確定最佳打印速度。

研究中共制備了6組不同配方的水凝膠墨水，具體配方如下表所示：

流變測試結(jié)果表明，所有水凝膠墨水均表現(xiàn)出明顯的剪切稀化行為，有利于擠出式3D打印過程。隨著明膠和HA濃度的增加，水凝膠的粘度和儲能模量顯著提高，凝膠溫度也隨之升高。

溫度掃描結(jié)果顯示，隨著HA含量的增加，凝膠溫度升高。例如，7.5%明膠組中，凝膠溫度從48.5°C（無HA）升高至56°C（20%HA）；15%明膠組中，凝膠溫度從54°C（無HA）升高至63°C（20%HA）。

打印適性測試表明，高濃度明膠（15%）配方需要更高的打印溫度（70°C）和壓力，可能不適合細(xì)胞負(fù)載的生物打印應(yīng)用。相比之下，7.5%明膠配方在較低溫度（40°C）下即可實現(xiàn)良好的打印表現(xiàn)，更適合生物打印。

通過絲材坍塌測試確定最佳打印速度為6 mm/s，此時打印出的支架結(jié)構(gòu)具有良好的形狀保真度和自支撐能力。

三、研究結(jié)論

本研究系統(tǒng)評估了明膠和羥基磷灰石濃度對3D打印HA/Gel/CMC水凝膠墨水性能的影響，得出以下主要結(jié)論：

• 增加明膠濃度（從7.5%到15%）可顯著提高水凝膠的粘度和儲能模量，但同時需要更高的打印溫度（從40°C升高到70°C），可能不適合細(xì)胞負(fù)載的生物打印應(yīng)用。
• 增加HA濃度可提高水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和凝膠溫度，增強(qiáng)支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
• 7.5%明膠配方在較低溫度（約40°C）下即可實現(xiàn)良好的打印表現(xiàn)，更適合生物打印應(yīng)用。
• HA20Gel7.5CMC配方表現(xiàn)出最佳的綜合性能，包括適宜的粘度、儲能模量和打印適性，被確定為最佳配方。
• 最佳打印參數(shù)為：溫度40°C，壓力23-30 psi，打印速度6 mm/s，此時支架具有較高的形狀保真度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

此外，F(xiàn)TIR分析證實了明膠、CMC和HA之間存在氫鍵和離子相互作用，增強(qiáng)了復(fù)合水凝膠的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

四、論文信息

論文題目：Gelatin and hydroxyapatite concentration improves rheological properties of 3D-printed HA/Gel/CMC bone scaffolds

作者：?ule Ar?c?, Hatice Kaya, Duygu Ege

單位：土耳其博阿齊奇大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所

期刊：Biomedical Physics & Engineering Express

發(fā)表時間：2025年8月6日

DOI：10.1088/2057-1976/adf3bc