BIO X6生物打印技術(shù)在可打印水凝膠生物墨水設(shè)計(jì)突破性研究中的應(yīng)用
宋顯溫，本文第一作者，中南大學(xué)本碩博，2023 年獲理學(xué)博士學(xué)位，同年 12 月入職廣西中醫(yī)藥大學(xué)，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(jì)及生物醫(yī)藥應(yīng)用，具備超分子組裝、計(jì)算機(jī)模擬、3D 打印等交叉學(xué)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(dān)任多家期刊審稿人；主持及參與多項(xiàng)各級(jí)科研項(xiàng)目，申請(qǐng)發(fā)明專利 7 項(xiàng)（授權(quán) 2 項(xiàng)）。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(kāi)發(fā)中取得初步應(yīng)用驗(yàn)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(diǎn)：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(duì)生物墨水提出高屈服應(yīng)力、強(qiáng)剪切變稀、快速觸變恢復(fù)三重嚴(yán)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(wèn)題，難以同時(shí)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(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)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(guò)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(shí)現(xiàn)從 “經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)” 到 “理性設(shè)計(jì)” 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(shí)還展示了酚類化合物間分布與凝膠流變、力學(xué)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(jì)提供了可預(yù)測(cè)的理論依據(jù)。
二、核心突破：四羥基氫鍵驅(qū)動(dòng)，可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)一步到位
研究通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比不同羥基數(shù)目與空間分布的酚類化合物，首次證實(shí)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)合流變測(cè)試、核磁表征及全原子 / 粗�；肿幽M，團(tuán)隊(duì)揭示四羥基主導(dǎo)多重氫鍵是凝膠化核心機(jī)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(qiáng)力學(xué)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(zhǔn)落地”
本研究依托CELLINK BIO X6 生物 3D 打印機(jī)完成全部打印驗(yàn)證，其頂尖性能與團(tuán)隊(duì)研發(fā)墨水實(shí)現(xiàn)1+1＞2的協(xié)同效果：
✅ 精準(zhǔn) DIW 打印，微米級(jí)結(jié)構(gòu)零坍塌
BIO X6 配備6 獨(dú)立智能打印頭與0–700 kPa 連續(xù)可調(diào)壓力系統(tǒng)，精準(zhǔn)控制墨水?dāng)D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(wú)塌陷、無(wú)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(cè)試和（C）拉伸測(cè)試。（D）不同酚類化合物濃度下水凝膠的斷裂拉伸強(qiáng)度及（E）75%應(yīng)變下的壓縮強(qiáng)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(cè)試和（H）粘附測(cè)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(hù)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(shí)黏度降低流暢出絲，離開(kāi)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(jí)易用性，助力高分成果快速產(chǎn)出
非接觸自動(dòng)校準(zhǔn)、STL 文件兼容、模塊化參數(shù)調(diào)控，大幅簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程；層分辨率高達(dá)1 μm，可復(fù)現(xiàn)高精度多孔結(jié)構(gòu)，為生物墨水性能驗(yàn)證提供穩(wěn)定、可重復(fù)的硬件支撐，助力研究成果登頂國(guó)際期刊。
四、性能拉滿：力學(xué) + 應(yīng)用雙突破，前景廣闊
· 力學(xué)性能優(yōu)異：木犀草素 / PVA 水凝膠壓縮強(qiáng)度達(dá)125.92±5.25 kPa，拉伸強(qiáng)度 7.5 kPa，斷裂伸長(zhǎng)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(yǔ)
本研究以可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)策略破解 DIW 生物墨水研發(fā)瓶頸，依托CELLINK BIO X6實(shí)現(xiàn)高精度打印驗(yàn)證，為天然基生物墨水開(kāi)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(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)推進(jìn)材料創(chuàng)新與裝備融合，助力組織工程、再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域邁向新高度！
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