3D打印技術結合創新生物墨水材料，為打印出的細胞或組織提供更接近體內的生長環境，可應用于再生醫療和組織工程中心臟、皮膚、軟骨、骨骼等組織構建；以及體外檢測模型構建，來進行**代謝和篩選、化妝品檢測、生物材料研發和干細胞的體外分化等研究。

在組織工程領域，傳統制備方法如粒子瀝濾法和冷凍干燥雖然能夠制備多孔支架，但是難以**調控支架外型與內部結構。三維打印是一種增材制造方法，三維生物打印實現了細胞或生長因子和生物材料同時構建三維支架，能夠控制細胞或生長因子等在三維支架內部的分布，有望**地在體外打印組織或器官。在此基礎上，三維打印主要是缺乏合適的生物材料用來構建功能化生物墨水。

海藻酸鹽是線性聚陰離子型多糖，來源廣泛且價格低廉，主要結構單元為β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G），由于海藻酸具有**的打印性能和與鈣離子快速交聯成型性能，同時較好的生物相容性有利于包載細胞，海藻酸鹽是生物墨水常用的材料之一。與鈣離子快速結合是海藻酸鹽的優點但其也存在不足，鈣離子在生理環境下容易與其他單價離子發生置換，從而破壞了支架的交聯結構，導致支架坍塌。海藻酸鹽雖然具有較好的生物相容性，能夠實現細胞的包裹和較高的存活率，但是海藻酸鹽的生物活性較低，細胞難以在海藻酸鹽上黏附和鋪展，限制了海藻酸鹽在三維生物打印中的應用。目前的研究對于改善海藻酸鹽穩定性問題，主要有對海藻酸鹽進行甲基丙烯酸改性或接枝多巴胺，從而實現光交聯或氧化交聯；而為了提高海藻酸鹽的生物活性，接枝RGD蛋白序列是目前常用的方法之一，RGD能夠促進細胞的黏附和鋪展。

設計了電荷可調控的海藻酸鹽/聚賴氨酸生物墨水，聚賴氨酸富含氨基，能夠與海藻酸鹽的羧基發生電荷作用。實驗結果發現，聚電解質之間的電荷相互作用能夠提高生物墨水的打印穩定性，實現大尺寸支架打印。另一方面，支架表面的電荷可調控性促進了細胞的黏附并實現了活性因子的負載和緩釋，提高了海藻酸鹽的生物活性，實現了功能化支架打印。

三維生物打印圖示：

圖1 A：生物墨水組成和功能化支架打印示意圖；B：打印后支架在水中的穩定性表征；C：打印的大尺寸自支撐結構支架；D1，D2：打印的管狀支架正面圖和側面圖；D3：生物墨水搭載骨髓間充質干細胞的活死染色和細胞存活率表征。

使用聚賴氨酸與海藻酸鹽混合，制備了聚電解質生物墨水（圖1A），流變學表征證明小分子聚賴氨酸的加入并沒有改變海藻酸鹽基生物墨水的剪切稀化屬性，而打印后聚賴氨酸和海藻酸鹽之間的電荷相互作用提高了打印支架的穩定性（圖1B）并且實現了大尺寸三維支架打印（圖1C）。同時，他們嘗試了使用該生物墨水打印管狀支架（圖1D）并包載骨髓間充質干細胞，細胞在生物墨水中的存活率較高。結果表明：基于電荷相互作用能夠提高生物墨水的穩定性從而構建結構復雜的大尺寸三維支架。

三維支架理化性能表征：

打印后的支架經過交聯處理能夠進一步提高穩定性，如圖2A，2B所示，海藻酸鹽/聚賴氨酸支架相對海藻酸鈣支架具有更高的含水量和孔隙率以及更緩慢的降解速率，而控制生物墨水的組分比例能夠進一步調控降解速率。同時交聯處理后能夠調控支架的表面電荷和親疏水性（圖3A，3B），有利于生長因子的靜電吸附，從而提高支架的功能性，實驗結果證明可調控的支架電荷能夠實現硫酸軟骨素和血管內皮細胞生長因子的負載和緩慢釋放（圖4）。

聚賴氨酸的添加改變了打印后支架的表面電荷，他們在打印后的支架表面種植了骨髓間充質干細胞，實驗證明聚賴氨酸改性的支架在表面帶正電荷的情況下能夠促進細胞的黏附和鋪展，細胞的黏附量與海藻酸鈣支架有**性差異（圖5）。隨后他們研究了負載硫酸軟骨素或血管內皮細胞生長因子的支架是否具備應有的生物活性，實驗結果證明固定的硫酸軟骨素促進了干細胞成軟骨基因的表達以及促進了二型膠原的大量分泌。而血管內皮細胞生長因子的緩慢釋放促進了干細胞血管分化相關基因的表達（圖6）。

由于電荷相互作用，海藻酸鹽/聚賴氨酸生物墨水能夠實現在常態下大尺寸自支撐結構三維支架的打印，而且支架在水溶液中具有很好的穩定性，包載細胞的存活率較高。進一步對支架進行交聯，能夠實現支架表面電荷可調控性，由于未使用鈣離子作為交聯劑，提高了支架長期的穩定性。基于可調控的支架表面電荷，實現了促進細胞黏附和固定各種生長因子或細胞外基質，體外細胞實驗證實了固定的生長因子或細胞外基質對于干細胞基因表達的調控作用。研究者相信，使用海藻酸鹽/聚賴氨酸生物墨水有利于實現大尺寸高穩定性的三維支架個性化打印，而且支架的可調控的電荷和降解性能有望將其應用于各種生長因子與細胞外基質的固定，賦予支架生物功能，從而滿足不同組織的修復需求。