從打印到監測：納米生物墨水助力3D生物打印與組織監測平臺？

在 3D 組織工程中，納米生物墨水是將納米材料與 ECM 水凝膠結合，以提高其打印性和功能性的重要策略。納米生物墨水可以增強水凝膠的機械性能、導電性、生物活性，并賦予其特定的功能，例如藥物遞送、組織再生和細胞控制。

1 基于膠原蛋白和殼聚糖的納米生物墨水和工程組織

膠原蛋白基納米生物墨水: 膠原蛋白是肌肉 TE 中的常用材料，但需要改進其電導率和機械性能。通過將納米金線 (GNWs) 摻入膠原蛋白基納米生物墨水中，可以產生拓撲線索，加速肌細胞的排列，并模仿肌肉組織的電學特性。此外，通過添加碳納米管 (CNTs) 可以增強膠原蛋白基納米生物墨水的機械強度和電導率，并創建類似血管的結構。

殼聚糖基納米生物墨水: 殼聚糖具有良好的生物相容性和抗菌活性，但其溶解度有限，限制了其應用。通過將納米羥基磷灰石 (nHAp) 摻入殼聚糖基納米生物墨水中，可以增強其機械強度和生物礦化特性，并用于構建骨骼組織。此外，通過將納米硅酸鹽 (Laponite?) 摻入殼聚糖基納米生物墨水中，可以提高其打印性和生物活性，并用于構建血管和骨組織。

2 基于明膠/GelMA 的納米生物墨水和工程組織

明膠/GelMA基納米生物墨水: 明膠具有許多優異的特性，例如良好的生物相容性、低抗原性和支持細胞粘附和增殖；然而，其機械強度有限，限制了其在特定組織中的應用。通過將納米纖維素材料（如纖維素納米晶體 (CNCs) 和納米纖維 (CNFs)）摻入明膠/GelMA 基納米生物墨水中，可以增強其機械強度和打印性。此外，通過將nHAp摻入GelMA中，可以增強其生物礦化和機械性能，并用于構建骨骼和軟骨組織。

電活性組織: 電活性組織（如心肌細胞和骨骼肌細胞）需要導電的生物墨水來模擬天然 ECM 環境。通過將碳納米管 (CNPs) 和金納米線 (GNRs) 等導電納米材料摻入 GelMA 中，可以增強其電導率，并用于構建電活性組織。

3 基于脫乙酰殼多糖的納米生物墨水和工程組織

脫乙酰殼多糖基納米生物墨水: 脫乙酰殼多糖水凝膠由于其低粘度和結構穩定性差，難以維持長期的結構和形狀。通過將納米纖維素纖維 (CNFs) 或聚乳酸 (PLA) 納米纖維等材料摻入脫乙酰殼多糖基納米生物墨水中，可以增強其打印性和生物活性，并用于構建脂肪組織和軟骨組織。

血管: 通過將碳納米管 (CNPs) 或多壁碳納米管 (MWNPs) 等材料摻入算盤子基納米生物墨水中，可以增強其機械強度和結構穩定性，并用于構建可通血的血管結構。

4 基于透明質酸的納米生物墨水和工程組織

透明質酸基納米生物墨水: 透明質酸是一種具有優異水合能力的生物材料，但其機械強度和降解性限制了其在3D生物打印中的應用。通過將納米纖維素 (CNFs) 或納米羥基磷灰石 (nHAp) 等材料摻入透明質酸基納米生物墨水中，可以增強其機械強度和生物活性，并用于構建脂肪組織和骨骼組織。

電活性組織: 通過將二維過渡金屬碳化物 (MXene) 納米片等材料摻入透明質酸基納米生物墨水中，可以增強其電導率，并用于構建電活性組織。

5 基于絲素蛋白的納米生物墨水和工程組織

蠶絲素基納米生物墨水: 蠶絲素水凝膠具有良好的機械強度和結構完整性，但其打印分辨率較低。通過將細菌纖維素納米纖維 (BCNF) 等納米纖維摻入蠶絲素/明膠生物墨水中，可以提高其打印分辨率和形狀保真度，并用于構建軟組織模型。

骨軟骨組織: 通過將鍶摻雜的納米磷酸鈣 (nHAp) 摻入蠶絲素基納米生物墨水中，可以增強其骨誘導、軟骨誘導和血管誘導特性，并用于構建骨軟骨組織。

6 基于脫細胞細胞外基質的納米生物墨水和工程組織

脫細胞細胞外基質 (dECM) 基納米生物墨水: dECM水凝膠具有與天然組織相似的復雜結構，但其打印性和結構穩定性較差。通過化學修飾或物理交聯來增強dECM水凝膠的機械強度，并使其與納米材料結合，以改善其打印性和結構完整性。

電活性組: 通過將碳納米管 (CNPs) 等導電納米材料摻入dECM水凝膠中，可以增強其電導率，并用于構建電活性組織。

總而言之，納米生物墨水為3D組織工程提供了新的可能性，通過增強ECM水凝膠的機械性能、導電性、生物活性，并賦予其特定的功能，可以構建更復雜、更功能性的組織結構。隨著納米材料研究和3D打印技術的不斷發展，納米生物墨水將在未來組織工程中發揮重要作用。

參考文獻

Yoon J, Han H, Jang J. Nanomaterials-incorporated hydrogels for 3D bioprinting technology. Nano Converg. 2023 Nov 15;10(1):52.