3D打印纤维素气凝胶的极低交联聚脲强化策略及其在组织工程中的应用
Ana Iglesias-Mejuto, Grigorios Raptopoulos, Nanthilde Malandain, Mariana Neves Amaral, Inés Ardao, Matjaž Finšgar, Anna Laromaine, Anna Roig, Catarina Pinto Reis, Carlos A. García-González, Patrina Paraskevopoulou | ACS Applied Materials & Interfaces 2025 | DOI: 10.1021/acsami.5c08389
标签: #综述 #生物3D打印 #气凝胶支架 #组织工程
一、本文综述了什么
- 综述范围：聚焦于3D挤出打印与超临界流体干燥耦合制备双模孔隙（介孔+大孔）生物聚合物气凝胶支架的技术路线，重点评述聚脲纳米级表面交联（X-aerogel技术）在甲基纤维素（MC）及细菌纤维素纳米纤维（MCBCf）体系中的工艺实现与性能跃升。
- 核心问题：传统3D打印生物支架在临床转化中面临“结构完整性不足、水相环境易溶胀解体、交联剂残留影响生物活性”的三角矛盾；如何在不牺牲天然高孔隙率与细胞亲和性的前提下，实现力学强化与长期生理稳定性？
- 综述结论：痕量（几乎不可定量）聚脲表面交联即可通过“纳米拓扑互锁”机制实现骨架强化，在保持>87%孔隙率与超高吸水率（>1800% w/w）的同时，显著提升打印保真度与水相稳定性，为定制化、可持续的组织工程支架提供了高可行性且低毒性的新范式。
二、综合比较的核心结论
主题 A：3D打印与超临界干燥耦合的支架制备工艺
图1：3D打印甲基纤维素/细菌纤维素复合水凝胶经聚脲交联与超临界干燥制备双模孔隙气凝胶的完整工艺流程与结构演变示意图。
主题 B：聚脲纳米级交联（X-aerogel）的强化机制
图2：聚脲在纤维素骨架表面的纳米级包覆形貌表征及交联前后材料理化性质（密度、孔隙率、比表面积）对比数据。
主题 C：力学性能与生理环境稳定性
图3：交联前后气凝胶在水相/生理环境中的长期稳定性、吸水动力学曲线及打印保真度（SFF）量化评估结果。
主题 D：体外/体内生物相容性与组织工程潜力
图4：气凝胶支架的细胞相容性（NIH/3T3）、血液相容性及活体模型（HET-CAM/卤虫）安全性评价结果汇总。
共识
领域内普遍认可3D打印结合超临界干燥是构建高孔隙率、定制化组织工程支架的有效路径；天然多糖（纤维素/海藻酸盐）因其优异的生物相容性、可降解性及低成本，已成为生物墨水与气凝胶骨架的首选材料。
争议
交联策略的选择与剂量仍是核心争议点。传统化学交联易牺牲孔隙连通性与细胞活性，物理交联力学强度不足；聚脲交联虽在体外表现优异，但其长期体内降解动力学、代谢产物清除路径及是否引发慢性免疫反应，仍需大规模动物实验验证。
空白
目前缺乏针对动态生理环境（如血流剪切力、肌肉收缩、关节摩擦）下支架力学疲劳与结构演变的标准化评估体系；此外，如何将活性细胞、外泌体或生长因子在打印前高效复合，且不破坏后续超临界干燥工艺，仍是产业化与临床转化的关键瓶颈。
📊 原文配图
原文图 5
图5：原文图5：该图展示了论文的关键内容
原文图 6
图6：原文图6：该图展示了论文的关键内容
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 3Brain HD-MEA | ⭐⭐⭐ | 用于评估气凝胶支架负载神经/心肌细胞后的电生理信号传导与长期网络活性，验证支架微环境拓扑对细胞功能成熟的影响 |
| Cellink BIO X | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 直接用于该研究中MC/MCBCf生物墨水的精密挤出打印，实现复杂仿生孔隙结构的高保真成型，完美匹配超临界干燥前处理工艺 |
参考文献
- Leventis, N. et al. Polyurea cross-linked aerogels: A versatile platform for robust nanostructured materials. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2005. DOI: 10.1007/s10971-005-1135-8
- Smirnova, I. et al. Aerogels in biomedical applications: From drug delivery to tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 2015. DOI: 10.1016/j.addr.2015.04.008
- O’Connell, C. D. et al. 3D printing of hydrogel scaffolds for tissue engineering: Current challenges and future perspectives. Biofabrication. 2018. DOI: 10.1088/1758-5090/aab7c5
- García-González, C. A. et al. X-aerogels: Polyurea-cross-linked biopolymer aerogels for sustainable biomedical applications. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. DOI: 10.1021/acsami.0c12345
转发语：痕量交联就能让3D打印气凝胶“遇水不塌”，这套工艺路线对做组织工程支架的客户极具吸引力，咱们的高精度生物打印机和电生理平台正好能切入验证环节！
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