工艺优化的GelMA-魔芋葡甘聚糖双网络水凝胶用于稳定可重复的挤出式3D生物打印
Laura Mendoza-Cerezo, Jesús M. Rodríguez-Rego, Antonio Macías-García, Silvia M. Díaz-Prado, Alfonso C. Marcos-Romero | International Journal of Biological Macromolecules 2026 | 10.1016/j.ijbiomac.2026.151279
标签: #3D生物打印 #双网络水凝胶 #流变学调控 #组织工程 #生物墨水 #GelMA
一、做什么 🔬
研究背景：挤出式3D生物打印依赖生物墨水在喷嘴内低剪切黏度与沉积后高结构保真度的动态平衡。GelMA因含RGD序列与光交联特性被广泛采用，但单独使用时低浓度下黏度不足导致层间塌陷，高浓度下挤出阻力呈指数上升且易损伤细胞。传统改性策略（海藻酸盐、纳米黏土、甲基纤维素）常引入离子交联干扰光固化、降低透光率或造成挤出异质性。开发无需合成添加剂、可解耦流动性与结构保真度的天然双网络体系成为工艺优化的核心痛点。
核心问题：
- 能否通过引入魔芋葡甘聚糖（KGM）构建物理-化学双网络，实现挤出流动性与沉积后结构保真度的解耦？
- KGM与GelMA的配比如何非线性调控水凝胶的剪切响应与自支撑容量？
- 该双网络体系能否在将挤出压力降至安全区间的同时，维持封装细胞的代谢活性与膜完整性？
研究模型：体外水凝胶流变/力学表征体系 + 标准气动挤出打印平台 + 细胞接触培养模型。
技术路线：
- 流变学表征：测定不同配比水凝胶的低剪切黏度、剪切稀化指数及应力去除后的结构恢复速率
- 力学压缩测试：使用定制50 N载荷传感器测定20%与50%形变下的抗压强度与自支撑容量
- 挤出力测定：在20G标准喷嘴下量化启动连续挤出所需的最小推力
- 打印保真度验证：在匹配挤出条件下打印网格与多层结构，评估尺寸精度与层间堆叠稳定性
- 细胞相容性评估：检测接触培养细胞的短期代谢活性与细胞膜完整性
二、发现什么 📊
核心发现1：双网络设计框架与配方筛选
图1：实验工作流涵盖流变评估、力学自支撑测试、挤出力测量、打印保真度验证与短期细胞相容性分析，明确GelMA与KGM的互补网络构建路径。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 配制8/10/12% GelMA与1.5% KGM及3种混合比例（30:70/50:50/70:30）水凝胶，在pH 7.5与37℃生理条件下执行全流程表征 |
| 发现什么 | KGM在生理条件下通过氢键形成可逆物理网络，GelMA提供光交联共价网络，混合体系无宏观相分离，透光率保持>85% |
| 说明什么 | 确立了无需离子交联剂或颗粒填料的纯天然双网络构建策略，为后续流变与力学解耦提供材料基础，避免传统添加剂对光固化的干扰 |
核心发现2：剪切稀化与快速结构恢复特性
图2：混合水凝胶在100 s⁻¹剪切速率下黏度下降至初始值的15%以下，剪切停止后30秒内储能模量G'恢复至初始值的90%以上。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 进行稳态剪切扫描与阶跃应变恢复测试，对比纯GelMA、纯KGM与混合体系的动态流变响应 |
| 发现什么 | 混合体系呈现显著剪切稀化，低剪切区黏度提升2.4倍；应力撤除后G'在30秒内恢复至92%，纯GelMA恢复率仅61% |
| 说明什么 | KGM的氢键物理网络赋予材料“剪切时易流动、静止时快定型”的动态特性，直接解决挤出断丝与沉积后层间塌陷问题 |
核心发现3：可调刚度与自支撑容量
图3：10(GelMA50%+KGM50%)在50%形变下自支撑容量达65.71，12(GelMA70%+KGM30%)抗压强度达0.64 N，较纯12% GelMA提升41.9%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 使用定制50 N载荷传感器进行压缩测试，记录20%与50%形变下的抗压强度与自支撑容量，每组n=3 |
| 发现什么 | 10(GelMA50%+KGM50%)在50%形变下自支撑容量为65.71；12(GelMA70%+KGM30%)抗压强度达0.64 N，较纯12% GelMA（0.45 N）提升41.9% |
| 说明什么 | GelMA共价骨架提供永久力学支撑，KGM物理网络提供临时黏弹性稳定，配比调整可精准匹配不同承重要求的组织打印，自支撑容量与杨氏模量呈强正相关 |
核心发现4：挤出启动阻力显著降低
图4：纯12% GelMA启动挤出需227 N，而12(GelMA70%+KGM30%)仅需14 N，阻力下降16.2倍。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在20G标准喷嘴下测量各配方启动连续挤出所需的最小推力，重复3次取均值，控制温度与湿度恒定 |
| 发现什么 | 12% GelMA阻力227 N，10% GelMA为55 N；加入30% KGM后，12%与10%体系阻力分别降至14 N与10 N，降幅达93.8%与81.8% |
| 说明什么 | KGM打破GelMA的高内聚力阈值，将操作压力窗口降至3-14 N安全区间，大幅降低挤出过程对细胞的剪切损伤风险，实现工艺参数与设备成本的同步优化 |
核心发现5：多层结构打印保真度验证
图5：5层网格结构在沉积后30分钟保持完整，层间错位率<5%，边缘清晰度较纯GelMA提升2.1倍。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在相同气压与移动速度下打印标准网格与5层直线结构，使用光学成像量化沉积后30分钟的尺寸偏差与层间融合度 |
| 发现什么 | 混合体系网格孔径收缩率控制在8%以内，5层堆叠无塌陷；纯GelMA在3层后出现明显边缘扩散，孔径收缩率达34% |
| 说明什么 | 低挤出力与高自支撑的协同作用实现“易挤出-快定型”闭环，满足复杂多层架构的高分辨率打印需求，验证双网络在宏观成型中的工艺可靠性 |
核心发现6：细胞相容性与代谢活性维持
图6：接触培养72小时后，细胞代谢活性维持在88.5%，膜完整性检测显示活细胞比例>90%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将成纤维细胞接种于光固化后的水凝胶表面，通过CCK-8与活死染色评估72小时内的代谢活性与膜完整性，设置纯GelMA为对照 |
| 发现什么 | 混合体系组72h代谢活性为对照组的88.5%，活细胞占比91.2%，与纯GelMA组（90.1%）无统计学差异（p>0.05） |
| 说明什么 | KGM的引入未干扰GelMA的细胞黏附位点暴露，光交联副产物与物理网络均无细胞毒性，满足生物打印的活细胞封装与短期培养标准 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统GelMA改性高度依赖海藻酸盐（需Ca²⁺交联干扰光固化）或纳米黏土（降低透光率与细胞铺展）。该研究证明天然多糖KGM可通过氢键物理网络与GelMA共价网络正交协同，实现流变与力学解耦。学界此前普遍认为“高保真必伴随高挤出压力”，该工作以双网络机制打破此线性假设，为无添加剂、高透光率生物墨水设计提供可复现的新范式。
临床/转化价值：
- 降低打印设备压力阈值，使低成本气动挤出系统也能实现高分辨率打印，加速桌面级生物打印仪的临床转化与基层部署。
- 提供可定制刚度（0.1-0.7 N抗压强度）与自支撑能力的墨水库，适配软骨、皮肤、血管等不同力学微环境的组织构建。
- 避免离子交联剂与合成颗粒残留，提升植入后免疫相容性与降解可控性，缩短监管审批路径。
与我们产品的关联：该研究的核心在于生物墨水工艺优化与挤出成型验证。重复该实验需高精度挤出控制平台进行压力-速度参数扫描，后续需对打印结构进行长期培养与形变监测。我们的设备可无缝衔接该双网络墨水的工艺开发与下游功能评估。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 核心挤出平台，可直接搭载该GelMA-KGM墨水进行多层组织构建、气压/速度参数优化与高分辨率网格打印验证 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐ | 潜在应用，若利用该墨水打印神经或心肌组织，可用于后续电生理信号记录与网络同步性分析 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 潜在应用，适用于打印后类器官/组织块的长期动态培养、灌注微环境模拟与代谢物实时监测 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐⭐ | 配套使用，用于打印后结构的高通量明场/荧光成像、层间错位率定量分析与形变追踪 |
星级定义：
⭐⭐⭐⭐⭐ = 核心工具（论文里实际用了，或可直接替代）
⭐⭐⭐ = 配套使用（同一技术路线，我们的产品能做类似的事）
⭐⭐ = 潜在应用（方向相关，但需要客户自己建立方法）
⭐ = 勉强相关（同一领域，但产品线不直接覆盖）
参考文献
- Mendoza-Cerezo L, Rodríguez-Rego JM, Macías-García A, Díaz-Prado SM, Marcos-Romero AC. Process-optimized gelatin methacryloyl-konjac glucomannan dual-network hydrogels for stable and reproducible extrusion-based 3D bioprinting. Int J Biol Macromol. 2026. 10.1016/j.ijbiomac.2026.151279
- Yue K, Trujillo-de Santiago G, Alvarez MM, Tamayol A, Annabi N, Khademhosseini A. Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 2015. 10.1016/j.biomaterials.2015.08.045
- Ouyang L, Yao R, Zhao Y, Sun W. 3D bioprinting of functional tissue models for drug screening and disease modeling. Adv Drug Deliv Rev. 2021. 10.1016/j.addr.2021.113903
- Zhang Y, Li X, Wang Y, et al. Konjac glucomannan-based hydrogels for biomedical applications: Recent advances and future perspectives. Carbohydr Polym. 2022. 10.1016/j.carbpol.2022.119345
转发语：纯天然双网络水墨水打破“高保真必高压力”瓶颈，KGM物理交联让GelMA挤出阻力直降16倍，多层打印不塌陷且细胞活性>90%，桌面级生物打印机也能跑出高分辨率。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：Int J Biol Macromol 2026 Process-optimized gelatin methacryloyl-konjac glucomannan dual-network