从打印到监测：纳米生物墨水助力3D生物打印与组织监测平台？

在 3D 组织工程中，纳米生物墨水是将纳米材料与 ECM 水凝胶结合，以提高其打印性和功能性的重要策略。纳米生物墨水可以增强水凝胶的机械性能、导电性、生物活性，并赋予其特定的功能，例如药物递送、组织再生和细胞控制。

1 基于胶原蛋白和壳聚糖的纳米生物墨水和工程组织

胶原蛋白基纳米生物墨水: 胶原蛋白是肌肉 TE 中的常用材料，但需要改进其电导率和机械性能。通过将纳米金线 (GNWs) 掺入胶原蛋白基纳米生物墨水中，可以产生拓扑线索，加速肌细胞的排列，并模仿肌肉组织的电学特性。此外，通过添加碳纳米管 (CNTs) 可以增强胶原蛋白基纳米生物墨水的机械强度和电导率，并创建类似血管的结构。

壳聚糖基纳米生物墨水: 壳聚糖具有良好的生物相容性和抗菌活性，但其溶解度有限，限制了其应用。通过将纳米羟基磷灰石 (nHAp) 掺入壳聚糖基纳米生物墨水中，可以增强其机械强度和生物矿化特性，并用于构建骨骼组织。此外，通过将纳米硅酸盐 (Laponite®) 掺入壳聚糖基纳米生物墨水中，可以提高其打印性和生物活性，并用于构建血管和骨组织。

2 基于明胶/GelMA 的纳米生物墨水和工程组织

明胶/GelMA基纳米生物墨水: 明胶具有许多优异的特性，例如良好的生物相容性、低抗原性和支持细胞粘附和增殖；然而，其机械强度有限，限制了其在特定组织中的应用。通过将纳米纤维素材料（如纤维素纳米晶体 (CNCs) 和纳米纤维 (CNFs)）掺入明胶/GelMA 基纳米生物墨水中，可以增强其机械强度和打印性。此外，通过将nHAp掺入GelMA中，可以增强其生物矿化和机械性能，并用于构建骨骼和软骨组织。

电活性组织: 电活性组织（如心肌细胞和骨骼肌细胞）需要导电的生物墨水来模拟天然 ECM 环境。通过将碳纳米管 (CNPs) 和金纳米线 (GNRs) 等导电纳米材料掺入 GelMA 中，可以增强其电导率，并用于构建电活性组织。

3 基于脱乙酰壳多糖的纳米生物墨水和工程组织

脱乙酰壳多糖基纳米生物墨水: 脱乙酰壳多糖水凝胶由于其低粘度和结构稳定性差，难以维持长期的结构和形状。通过将纳米纤维素纤维 (CNFs) 或聚乳酸 (PLA) 纳米纤维等材料掺入脱乙酰壳多糖基纳米生物墨水中，可以增强其打印性和生物活性，并用于构建脂肪组织和软骨组织。

血管: 通过将碳纳米管 (CNPs) 或多壁碳纳米管 (MWNPs) 等材料掺入算盘子基纳米生物墨水中，可以增强其机械强度和结构稳定性，并用于构建可通血的血管结构。

4 基于透明质酸的纳米生物墨水和工程组织

透明质酸基纳米生物墨水: 透明质酸是一种具有优异水合能力的生物材料，但其机械强度和降解性限制了其在3D生物打印中的应用。通过将纳米纤维素 (CNFs) 或纳米羟基磷灰石 (nHAp) 等材料掺入透明质酸基纳米生物墨水中，可以增强其机械强度和生物活性，并用于构建脂肪组织和骨骼组织。

电活性组织: 通过将二维过渡金属碳化物 (MXene) 纳米片等材料掺入透明质酸基纳米生物墨水中，可以增强其电导率，并用于构建电活性组织。

5 基于丝素蛋白的纳米生物墨水和工程组织

蚕丝素基纳米生物墨水: 蚕丝素水凝胶具有良好的机械强度和结构完整性，但其打印分辨率较低。通过将细菌纤维素纳米纤维 (BCNF) 等纳米纤维掺入蚕丝素/明胶生物墨水中，可以提高其打印分辨率和形状保真度，并用于构建软组织模型。

骨软骨组织: 通过将锶掺杂的纳米磷酸钙 (nHAp) 掺入蚕丝素基纳米生物墨水中，可以增强其骨诱导、软骨诱导和血管诱导特性，并用于构建骨软骨组织。

6 基于脱细胞细胞外基质的纳米生物墨水和工程组织

脱细胞细胞外基质 (dECM) 基纳米生物墨水: dECM水凝胶具有与天然组织相似的复杂结构，但其打印性和结构稳定性较差。通过化学修饰或物理交联来增强dECM水凝胶的机械强度，并使其与纳米材料结合，以改善其打印性和结构完整性。

电活性组: 通过将碳纳米管 (CNPs) 等导电纳米材料掺入dECM水凝胶中，可以增强其电导率，并用于构建电活性组织。

总而言之，纳米生物墨水为3D组织工程提供了新的可能性，通过增强ECM水凝胶的机械性能、导电性、生物活性，并赋予其特定的功能，可以构建更复杂、更功能性的组织结构。随着纳米材料研究和3D打印技术的不断发展，纳米生物墨水将在未来组织工程中发挥重要作用。

参考文献

Yoon J, Han H, Jang J. Nanomaterials-incorporated hydrogels for 3D bioprinting technology. Nano Converg. 2023 Nov 15;10(1):52.