BIO X6生物打印技術(shù)在可打印水凝膠生物墨水設(shè)計突破性研究中的應(yīng)用
宋顯溫，本文第一作者，中南大學本碩博，2023 年獲理學博士學位，同年 12 月入職廣西中醫(yī)藥大學，2025 年入選廣西第二批青苗人才。主要研究天然產(chǎn)物與高分子材料自組裝體系的理論設(shè)計及生物醫(yī)藥應(yīng)用，具備超分子組裝、計算機模擬、3D 打印等交叉學科背景。以第一 / 通訊作者在 ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Science 等期刊發(fā)表論文 10 余篇，擔任多家期刊審稿人；主持及參與多項各級科研項目，申請發(fā)明專利 7 項（授權(quán) 2 項）。其研究成果已在組織工程支架構(gòu)建與藥物緩釋系統(tǒng)開發(fā)中取得初步應(yīng)用驗證，展現(xiàn)出良好的生物相容性與結(jié)構(gòu)保真度。
一、科研痛點：DIW 生物墨水的 “卡脖子” 難題
直寫成型（DIW）是生物 3D 打印核心技術(shù)，對生物墨水提出高屈服應(yīng)力、強剪切變稀、快速觸變恢復(fù)三重嚴苛要求。傳統(tǒng)生物墨水普遍存在合成復(fù)雜、成本高昂、構(gòu)效關(guān)系模糊等問題，難以同時滿足打印成型性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與生物相容性，制約組織工程、藥物遞送等領(lǐng)域落地應(yīng)用。
團隊瞄準這一關(guān)鍵瓶頸，以天然酚類化合物 + 聚乙烯醇（PVA）為基礎(chǔ)，通過一步超分子組裝構(gòu)建新型水凝膠，結(jié)合CELLINK BIO X6的高精度 DIW 打印能力，實現(xiàn)從 “經(jīng)驗試錯” 到 “理性設(shè)計” 的跨越。
圖1.展示了聚乙烯醇(PVA)、高良姜素(Gal)、脫氧木犀草素(Del)、黃芩素(Bai)、山奈酚(Kae)、木樨草素(Lut)和野黃芩素(Scu)的分子結(jié)構(gòu)。同時還展示了酚類化合物間分布與凝膠流變、力學及3D打印性能之間的內(nèi)在構(gòu)效關(guān)系，為多酚基生物墨水的理性設(shè)計提供了可預(yù)測的理論依據(jù)。
二、核心突破：四羥基氫鍵驅(qū)動，可預(yù)測設(shè)計一步到位
研究通過系統(tǒng)對比不同羥基數(shù)目與空間分布的酚類化合物，首次證實四羥基結(jié)構(gòu)是凝膠化的關(guān)鍵—— 僅需 0.04 wt% 極低濃度，即可讓 PVA 溶液從流動態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾文z，交聯(lián)能力遵循野黃芩素＜山奈酚＜木犀草素規(guī)律，為生物墨水快速篩選提供量化標準。
結(jié)合流變測試、核磁表征及全原子 / 粗�；肿幽M，團隊揭示四羥基主導(dǎo)多重氫鍵是凝膠化核心機制：酚羥基與 PVA 分子形成高密度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，賦予水凝膠優(yōu)異剪切變稀、快速自修復(fù)、強力學支撐三大核心性能，完美匹配 DIW 打印需求。
三、硬核搭檔：CELLINK BIO X6，讓創(chuàng)新墨水 “精準落地”
本研究依托CELLINK BIO X6 生物 3D 打印機完成全部打印驗證，其頂尖性能與團隊研發(fā)墨水實現(xiàn)1+1＞2的協(xié)同效果：
✅ 精準 DIW 打印，微米級結(jié)構(gòu)零坍塌
BIO X6 配備6 獨立智能打印頭與0–700 kPa 連續(xù)可調(diào)壓力系統(tǒng)，精準控制墨水擠出速率與成型精度，成功打印最小線寬700 μm的多孔支架，五角星、六角星等復(fù)雜結(jié)構(gòu)完整保真，無塌陷、無斷裂。
圖2.（A）三種水凝膠在壓縮至75%應(yīng)變后的不同效果。（B）水凝膠的壓縮測試和（C）拉伸測試。（D）不同酚類化合物濃度下水凝膠的斷裂拉伸強度及（E）75%應(yīng)變下的壓縮強度。（F）從不同角度拍攝的3D打印水凝膠支架照片。（G）支架結(jié)構(gòu)的擠壓測試和（H）粘附測試。（I）水凝膠生物墨水可打印成各種形狀。
✅ 完美適配剪切變稀流體，溫和擠出護性能
設(shè)備支持低剪切力直寫成型，與水凝膠 “剪切變稀、快速恢復(fù)” 特性高度匹配 —— 擠出時黏度降低流暢出絲，離開噴嘴后迅速恢復(fù)高彈態(tài)，確保打印支架75% 壓縮應(yīng)變下仍保持結(jié)構(gòu)完整。
✅ 科研級易用性，助力高分成果快速產(chǎn)出
非接觸自動校準、STL 文件兼容、模塊化參數(shù)調(diào)控，大幅簡化實驗流程；層分辨率高達1 μm，可復(fù)現(xiàn)高精度多孔結(jié)構(gòu)，為生物墨水性能驗證提供穩(wěn)定、可重復(fù)的硬件支撐，助力研究成果登頂國際期刊。
四、性能拉滿：力學 + 應(yīng)用雙突破，前景廣闊
· 力學性能優(yōu)異：木犀草素 / PVA 水凝膠壓縮強度達125.92±5.25 kPa，拉伸強度 7.5 kPa，斷裂伸長率 320%，剛度與韌性完美平衡；
· 應(yīng)用潛力巨大：支架具備優(yōu)異抗擠壓性與界面粘附性，可牢固附著于基底，在定制化藥物遞送、組織工程支架等領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。
結(jié)語
本研究以可預(yù)測設(shè)計策略破解 DIW 生物墨水研發(fā)瓶頸，依托CELLINK BIO X6實現(xiàn)高精度打印驗證，為天然基生物墨水開發(fā)與生物 3D 打印技術(shù)落地提供理論指導(dǎo) + 硬件支撐雙重方案。未來，團隊將繼續(xù)推進材料創(chuàng)新與裝備融合，助力組織工程、再生醫(yī)學領(lǐng)域邁向新高度！
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