高密度纳米纤维胶原-二氧化硅杂化水凝胶：高强度与ECM仿生组织整合

Norein et al. | Advanced Functional Materials 2026 | DOI: 10.1002/adfm.202503915

标签: #3D生物打印 #胶原 #二氧化硅 #高强度 #组织工程 #ECM仿生

一、做什么（研究背景与目的）

胶原蛋白是细胞外基质（ECM）的主要结构蛋白，广泛用于组织工程。然而，传统胶原生物墨水通常浓度极低（1%-2%），导致打印出的水凝胶机械强度极差（杨氏模量仅为千帕级），远无法与天然组织（兆帕级）相比，且难以支持细胞在三维空间内的深度浸润和重塑。

乌普萨拉大学 Hilborn 团队开发了一种高密度纳米纤维胶原-二氧化硅杂化水凝胶（DCSi），将胶原蛋白浓度提升至 16 wt.%（接近天然结缔组织水平），并通过引入纳米二氧化硅和硼酸盐介导的共组装工艺，大幅提升了材料的机械强度、柔韧性和打印保真度。该系统无需交联剂即可实现挤出式3D打印，并在体内外展现出优异的ECM仿生组织整合能力。

图1：DCSi 杂化水凝胶的合成流程。23 wt.% 的高浓度 I 型胶原溶液与水解硅烷（TMOS/GPTMS）混合，挤出到硼酸盐缓冲液中。硼酸盐暂时形成 Si-O-B 键稳定结构，清洗后去除，留下致密的胶原-二氧化硅纳米纤维网络。

二、发现什么（核心结果）

1. 16% 超高浓度胶原的流变与机械突破

研究者首先解决了高浓度胶原难以打印的难题，通过引入二氧化硅前体并调控 pH 值，实现了材料的剪切变稀和快速固化。

图2：DCSi 水凝胶的流变曲线（A）显示剪切变稀特性；圆二色谱（B）证实胶原三螺旋结构完整；机械测试（E-G）表明 DCSi 的压缩模量提升约 20 倍，且能像绳索一样打结（F）而不破裂。

「做了什么」：制备了 12% 和 16% 浓度的纯胶原溶液，以及添加了 2%、4%、8% 硅酸的 16% 胶原杂化墨水。通过流变仪测试剪切变稀行为，通过万能试验机测试压缩和拉伸模量，并观察其宏观柔韧性。
「发现什么」：杂化墨水表现出优异的剪切变稀特性，适合挤出打印。固化后的 DCSi 水凝胶压缩模量提升约 20 倍，拉伸模量达到 2.3 ± 0.4 MPa，断裂伸长率 25%-30%。宏观上，材料可以像橡胶一样打结、弯曲而不发生塑性变形或断裂。
「说明什么」：纳米二氧化硅的引入不仅没有破坏胶原的三螺旋结构，反而在分子尺度上起到了“纳米钢筋”的作用，将原本脆弱的胶原凝胶转变为高强度的柔性生物材料。

2. 纳米级相分离与高保真 3D 打印

微观结构决定了宏观性能。研究者在纳米尺度上观察到了胶原纤维与二氧化硅的完美融合。

图3：STEM 图像显示二氧化硅纳米晶体（亮区）紧密包裹在 15-25 nm 的胶原纤维周围（A-B）；打印的 16 层大尺寸支架（F）保持孔隙率，且层间结合牢固，可冲出 6mm 圆柱样条而不分层（H）。

「做了什么」：利用 STEM-HAADF 和 EELS 元素映射观察 DCSi 的超微结构。使用挤出式生物打印机打印不同填充率（30%-40%）和层数（最高 16 层）的支架，评估其形状保真度和层间粘合力。
「发现什么」：STEM 图像证实二氧化硅以纳米晶体形式（~4.6 nm⁻¹ 晶格条纹）原位沉积在胶原纤维内部和表面，形成均匀的有机-无机杂化网络。3D 打印方面，DCSi 墨水可以稳定打印高达 16 层（4mm 高）的复杂结构，孔隙保持完好。更惊人的是，打印后的多层支架层间结合极强，用打孔器冲出的 6mm 圆柱样条完全没有分层现象。
「说明什么」：硼酸盐缓冲液成熟工艺成功解决了高浓度胶原打印时的层间剥离和坍塌问题，实现了“既强又粘”的打印效果，为制造大尺寸、高强度的组织工程支架奠定了基础。

3. 干细胞浸润与体内组织整合

材料不仅要强，还要能让细胞长进去，并与宿主组织融合。

图4：体外培养 21 天，hMSC 细胞沿着打印的纤维方向高度增殖并封闭孔隙（B-D）；体内植入 6 周后，DCSi 支架内可见大量宿主细胞沿纤维束浸润（黑色箭头），且无明显异物反应（A-B）。

「做了什么」：将人间充质干细胞（hMSCs）接种到 3D 打印的 DCSi 支架上，体外培养 21 天，通过 Live/Dead 染色观察细胞存活、增殖和空间分布。将支架皮下植入小鼠体内 6 周，通过 H&E 和 CD31 免疫组化评估宿主细胞浸润、材料降解和血管生成情况。
「发现什么」：体外实验中，细胞在 DCSi 支架上存活率极高，21 天内表面覆盖率从 5.1% 飙升至 73.4%，细胞沿着打印纤维的取向高度排列，并逐渐封闭孔隙。体内实验中，DCSi 支架在 6 周时结构依然保持完整，降解仅限于细胞浸润的区域；宿主细胞沿着胶原纤维束深入材料内部，且周围形成了丰富的新生血管（CD31+），未引发明显的异物巨细胞反应。
「说明什么」：16% 的高浓度胶原提供了极度仿生的 ECM 微环境，极大地促进了细胞的粘附、铺展和定向迁移。纳米二氧化硅的加入不仅没有产生细胞毒性，反而通过维持支架的结构稳定性，为组织再生争取了足够的时间。

三、说明什么（研究意义）

本研究打破了“高浓度胶原无法 3D 打印”的传统认知。通过有机-无机纳米杂化策略，研究者成功将胶原浓度从常规的 1%-2% 提升至 16%，一举解决了水凝胶材料在机械强度和生物活性之间难以兼顾的痛点。

DCSi 水凝胶的拉伸模量（2.3 MPa）已经接近天然软骨和某些软组织的力学要求，且具备优异的柔韧性和抗疲劳性。这种“仿生+增强”的设计思路，为未来开发用于**承重组织修复（如软骨、肌腱、椎间盘）**的 3D 打印植入物提供了极具前景的材料平台。

产品关联

挤出式生物打印机：本文使用高精度挤出式生物打印机完成所有 DCSi 支架的制造。该设备能够稳定输出高粘度（16 wt.% 胶原）墨水，并通过精确的挤出压力和移动速度控制，实现了 16 层复杂结构的高保真打印。对于此类高浓度、易凝胶化的新型生物墨水，打印头的温控模块（保持低温防止提前凝胶化）和恒压挤出系统是成功的关键。

应用方向：

• 软骨与骨缺损修复（高机械强度、纳米增强）
• 肌腱与韧带再生（纤维取向引导、高拉伸模量）
• 大面积组织工程支架（16层打印不分层、层间结合强）
• 肿瘤模型构建（高细胞密度、ECM 仿生微环境）

转发语：16%高浓度胶原+纳米二氧化硅增强，3D打印出水凝胶居然能像软骨一样抗拉抗压，还能让干细胞自己爬满长好！

联系人：李东伟
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