深圳先进院阮长顺、天津大学刘文广《Prog. Mater. Sci.》综述:用于组织 / 器官生物 3D 打印的动态生物墨水:原理、挑战与展望
生物 3D 打印能快速制备定制形状的类器官结构，为组织工程与再生医学开辟了新方向，而生物墨水的性能是推动该技术发展的关键。与传统静态生物墨水相比，动态生物墨水模拟天然细胞外基质（ECM），具有可逆动态分子网络，可支持细胞活性与生长，进而促进生物 3D 打印类器官结构的成熟，近十年备受关注且发展迅速。本研究系统综述了动态生物墨水在生物 3D 打印中的研究进展：首先阐述其分子设计原理（超分子作用力与可逆化学键两大类）；随后重点分析动态生物墨水推动生物 3D 打印的关键因素（可打印性、结构稳定性、细胞行为调控能力）；最后探讨动态生物墨水在组织器官构建中的挑战与前景，为生物 3D 打印领域提供有益参考。动态生物墨水的核心设计灵感源于天然 ECM 的动态特性，通过可逆相互作用构建网络结构，兼具剪切变稀、自修复、应力松弛等功能，其分子设计主要分为超分子作用力和可逆化学键两大类（图 2）。图 2 Dynamic bioinks' molecular design principle（图 2 动态生物墨水的分子设计原理：包含超分子作用力（氢键、主客体作用等）和可逆化学键（狄尔斯 - 阿尔德键、席夫碱键等）两大类）超分子生物墨水通过非共价相互作用构建动态网络，常见作用类型及特性如下（表 2）：- 氢键：何慧敏等人在明胶（Gel）上修饰脲基嘧啶酮（UPy），形成四重氢键体系，赋予生物墨水温度敏感性与优良力学性能，支持细胞黏附与分化；Li 等人开发的肽 - DNA 复合生物墨水，通过碱基间氢键自组装形成双螺旋结构，快速凝胶化且打印后 AtT-20 细胞存活率达 98.8±1.4%。
- 主客体作用：Dai 等人将明胶 - 甲基丙烯酰胺（GelMA）与 β- 环糊精（β-CD）、多巴胺结合，构建主客体作用动态生物墨水，兼具高韧性与弹性，可负载生物活性药物实现长效缓释；Wang 等人利用葫芦脲 [8]（CB [8]）介导的超分子作用，构建光交联互穿网络，通过调节超分子与共价网络比例，精准调控水凝胶的网络松弛度与刚度。
- 静电作用：海藻酸盐（Alg）与 Ca²⁺通过静电交联形成的生物墨水，弹性行为类似 ECM，广泛用于皮肤、软骨、骨组织再生；Wu 等人在水溶性聚氨酯（WPU）中引入羧基，与明胶中的氨基通过静电作用形成生物墨水，兼具剪切变稀、自修复与黏度可调特性。
可逆化学键可在外界刺激下断裂与重组，打印时保护细胞免受挤压损伤，打印后重组确保支架结构稳定，常见类型及应用如下：挤压损伤，打印后重组确保支架结构稳定，常见类型及应用如下： | | |
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| 选择性高、无副产物，呋喃 - 马来酰亚胺体系室温下可逆 | |
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| 与顺式二醇形成五元 / 六元环，pH / 温度响应 | |
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- 席夫碱键：Liu 等人利用氧化透明质酸（OHA）的醛基与聚赖氨酸（PL）的氨基形成席夫碱键，结合碳纳米管与聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），构建心脏瓣膜用动态生物墨水，兼具力学性能与抗菌性；Li 等人在 GelMA 刚性网络中引入席夫碱键，提升支架柔韧性与韧性，在大鼠临界尺寸骨软骨缺损模型中实现软骨与软骨下骨再生。
- 硼酸酯键：Shi 等人制备硼酸交联水凝胶生物墨水，可保护包裹的软骨细胞免受 ROS 损伤，抑制软骨分解代谢基因（MMP13）上调，促进组织再生。
动态生物墨水需同时满足可打印性、结构稳定性与细胞行为调控三大核心要求，才能实现高效生物 3D 打印（图 6）。图 6 Structural stability assessment of dynamic bioinks（图 6 动态生物墨水的结构稳定性评估：a. 动态生物墨水开发三阶段（流变学评估→交联与生物相容性测试→体内评估）；b. 多种交联方式（热交联、光交联等）；c. 基于电荷与主客体作用的双网络非共价交联示例）可打印性指生物墨水在特定打印技术下形成精准 3D 结构的能力，核心评价指标包括：流变学特性：存储模量（G'）与损耗模量（G''）需匹配打印技术，理想状态下具备剪切变稀（打印时黏度降低易挤出，打印后黏度恢复保形）与触变性；屈服点与应力松弛：屈服点前 G'>G''（固体特性），屈服点后网络重组（G''>G'）；应力松弛半衰期短（动态生物墨水约 2×10³ s，显著短于静态 GelMA 的 2.48×10⁵ s），可快速释放应力模拟体内组织力学环境；表面张力与接触角：表面张力需平衡挤出顺畅性与结构稳定性，接触角 40°-70° 时生物相容性更佳，且利于层间堆叠。Feng 等人在生物墨水中引入硼酸动态键，提升黏度与力学强度，打印时剪切变稀易挤出，打印后快速恢复保形，同时保证高细胞存活率；Hull 等人通过小分子调节剂（甘氨酸基肼类似物与苯并咪唑衍生物）调控腙键交联动力学，改善支架保真度与细胞相容性。动态生物墨水的结构稳定性依赖动态网络的协同作用，关键保障措施包括：多重交联策略：结合物理交联（离子、氢键）与化学交联（光交联、酶交联），构建互穿网络提升力学性能与稳定性；交联方式选择：光交联（操作简便、时空可控）、酶交联（条件温和、生物相容性佳）、热交联（简单易行），需根据应用场景匹配；力学与降解匹配：支架力学强度需适配目标组织（骨组织需高硬度，软骨组织需高弹性），降解速率与组织再生周期同步。动态生物墨水通过模拟 ECM 的动态微环境，调控细胞存活、干性维持、铺展、增殖、迁移与分化等行为：细胞存活：可逆网络降低打印剪切力损伤，酶交联、温和光交联等方式减少细胞毒性，He 等人通过 UPy 修饰明胶结合 HRP/H₂O₂酶交联，实现高形状保真度与 90% 以上细胞存活率；干性维持：调节生物墨水刚度与成分，Jianjun Li 等人在海藻酸盐 / 明胶生物墨水中加入生物活性纳米颗粒（BNPs），上调 Nanog、Oct-4 等干性标志物表达；细胞铺展与迁移：动态网络可响应细胞牵引力重组，Yang 等人发现快速解离的主客体交联结合 RGD 肽修饰，可促进人间充质干细胞 18 小时内快速铺展与肌动蛋白骨架形成；细胞分化：通过拓扑结构、力学性能与生物因子缓释协同调控，Chen 等人利用聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物（PLGA）微球与海藻酸盐形成沟槽 - 脊状微结构，引导细胞沿沟槽生长分化，促进骨再生。动态生物墨水的核心应用（组织 / 器官生物 3D 打印）动态生物墨水凭借优良的动态特性与细胞相容性，已在多种组织器官打印中展现应用潜力（图 8、图 9、图 10）。图 8 Dynamic bioink drives regeneration of bone, cartilage, and osteochondral tissues（图 8 动态生物墨水驱动骨、软骨与骨软骨组织再生：a. 基于静电作用与氢键的动态生物墨水用于骨组织工程；b. 模拟软骨多层结构的动态生物墨水；c. 主客体作用动态生物墨水用于骨软骨修复）图 9 Dynamic bioink promotes skin tissue repair（图 9 动态生物墨水促进皮肤组织修复：a. 皮肤再生用动态生物墨水需求与应用；b. 腙键动态生物墨水提升可打印性；c. 席夫碱反应动态生物墨水促进糖尿病慢性伤口愈合；d. 羧甲基纤维素（CMC）与纳米黏土复合动态生物墨水用于糖尿病伤口愈合）图 10 Dynamic bioink applications in multiple tissues（图 10 动态生物墨水在多组织打印中的应用：a. 调控肝细胞簇与内皮细胞行为的肝组织打印；b. 席夫碱键动态生物墨水用于心脏瓣膜；c. 离子作用动态生物墨水实现胃穿孔无缝闭合；d. 席夫碱键动态生物墨水用于脊髓损伤修复）骨组织：Zhu 等人构建 GelMA/DNA 双网络动态生物墨水，通过静电作用与氢键形成动态黏弹性网络，为细胞提供类 ECM 环境，促进骨基质分泌与骨缺损修复；Yang 等人通过淀粉样纤维、黏土纳米片与 DNA 链超分子共组装，制备可注射、自修复的动态生物墨水，释放血管内皮生长因子模拟肽与 Si⁴⁺、Mg²⁺，促进血管生成与成骨。软骨组织：Zeng 等人将海藻酸盐基生物墨水与 Ca²⁺交联、光交联结合，构建动态支架，成功实现间充质干细胞捕获与靶向迁移，在体内外促进骨软骨缺损修复；Dai 等人基于主客体作用构建动态生物墨水，通过调节 GelMA - 多巴胺与 GelMA 比例，模拟软骨区低模量与骨区高模量的力学梯度，负载软骨形成因子与成骨因子，实现骨软骨协同再生。Li 等人利用 CMC 与纳米黏土的静电作用与氢键，构建高自支撑性动态生物墨水，兼具抗菌性与生物降解性，显著促进糖尿病伤口愈合与血管生成；Ding 等人通过苯甲醛修饰葡聚糖（DEX-BA）与氰乙酸修饰葡聚糖（DEX-CA）的席夫碱反应，引入二硫化钼（MoS₂）纳米片加速凝胶化并增强力学性能，改善细胞黏附，促进慢性糖尿病伤口闭合。肝脏组织：Gao 等人通过氢键与疏水作用构建降冰片烯功能化胶原蛋白生物墨水（Col-Nor），UV 交联后形成均匀大孔结构，利于人脐静脉内皮细胞形成互联血管网络，支撑肝细胞营养运输；心脏组织：Wang 等人利用 OHA 的醛基与 PL 的氨基形成席夫碱键，结合碳纳米管与 PEGDA，构建心脏瓣膜用动态生物墨水，兼具力学性能、抗菌性与生物相容性；神经组织：Yang 等人通过 OHA 与 GelMA 的席夫碱反应构建动态生物墨水，降低对神经干细胞（NSCs）的机械约束，增强其机械传感与迁移能力，在大鼠脊髓损伤模型中促进运动与感觉功能恢复。图 11 Future directions and challenges of dynamic bioinks（图 11 动态生物墨水的未来方向与挑战：包括动态相互作用机制解析、多尺度仿生 ECM 生物墨水研发、创新工具与模型结合、临床转化推进四大方向）机制解析不足：动态生物墨水与细胞的复杂相互作用（材料特性对细胞行为的调控、细胞对材料网络的重塑）缺乏实时监测与反馈调控手段；多尺度仿生难度大：难以精准模拟 ECM 从分子到宏观的梯度结构与动态特性；临床转化障碍：材料复杂性与临床实用性平衡困难，大规模生产、长期生物相容性等问题待解决。解析动态相互作用机制：深入研究材料化学组成、物理结构对细胞黏附、增殖、分化的影响，开发实时监测技术；研发多尺度仿生 ECM 生物墨水：从分子（梯度功能基团）、微观（纤维排列、孔隙结构）、宏观（组织形状、力学梯度）多层面模拟 ECM；结合创新工具与模型：利用器官芯片、机器学习、4D 生物打印、动物模型等，优化生物墨水配方与打印工艺；推进临床转化：平衡材料创新性与实用性，通过产学研协同，解决大规模生产、生物安全性等临床转化关键问题。原文标题：Dynamic bioinks for tissue/organ bioprinting: Principle, challenge, and perspective（用于组织 / 器官生物 3D 打印的动态生物墨水：原理、挑战与展望）作者：Duo Ma、Juan Liu、William Weijia Lu 等作者单位：中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与生物技术研究所；天津大学材料科学与工程学院；香港大学矫形与创伤外科学系等期刊：Progress in Materials Science（2026 年）DOI：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101527通讯作者邮箱：wgliu@tju.edu.cn（Wenguang Liu）、cs.ruan@siat.ac.cn（Changshun Ruan）
