隨著全球人口老齡化加劇以及疾病發(fā)病率的上升，器官移植的需求持續(xù)增長。然而，器官供體的嚴重短缺讓大量患者陷入“生命等待”的困境（參考文獻[1]）。以我國為例，每年有超過30萬患者急需器官移植，但最終能夠匹配到合適供體的患者不足1%（參考文獻[2]）。供需之間的巨大缺口，已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域亟待解決的重大難題。

組織工程技術(shù)的出現(xiàn)，為破解這一困局帶來了曙光。簡單來說，組織工程技術(shù)就像一個建筑團隊，但它蓋的不是房子，而是器官。它利用生物學(xué)、材料學(xué)和工程學(xué)原理，在體外構(gòu)建出能夠修復(fù)或替代人體受損組織器官的生物替代品。

其中，有一個關(guān)鍵組成部分，那就是——“支架”。支架就像是一座建筑的“鋼筋骨架”，為細胞生長和組織形成提供支撐結(jié)構(gòu)。它不僅為細胞提供附著和生長的場所，還能引導(dǎo)細胞按照預(yù)定的形狀和結(jié)構(gòu)進行排列，最終形成具有特定功能的組織或器官（參考文獻[3]）。

隨著科技的不斷進步，“支架”的構(gòu)建技術(shù)也日新月異，其中生物3D打印技術(shù)尤為引人矚目。生物3D打印的原理和我們?nèi)粘？吹降?D打印有些相似，只不過它使用的不是金屬或塑料等打印材料，而是專門的“生物墨水”。

生物墨水的“不可能三角”難題

要了解生物墨水的重要性，需要先知道什么是生物3D打印。在生物3D打印過程中，首先通過醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，如CT、MRI等，獲取患者病變部位的精確數(shù)據(jù)，然后利用計算機輔助設(shè)計軟件將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型。

接下來，將生物墨水裝入3D打印機的墨盒中，打印機根據(jù)三維模型的指令，將生物墨水逐層打印出來，最終構(gòu)建出與病變部位相匹配的支架。這里所用的生物墨水通常由細胞、生物材料和各種有助于細胞生長的活性因子組成，可以說是“活的材料”（參考文獻[4]）。

打印結(jié)束后，通過在體外為細胞提供適宜的生長環(huán)境，比如模擬體內(nèi)的機械刺激、營養(yǎng)供給和化學(xué)信號，幫助細胞之間建立聯(lián)系、傳遞信號，讓打印出來的支架逐漸成熟，形成組織器官。

利用3D生物打印技術(shù)構(gòu)建人工組織或器官

（圖片來源：參考文獻[4]）

早期通過生物3D打印技術(shù)打印出來的支架，主要選用一些天然生物材料，如膠原、纖維蛋白和殼聚糖等。這些材料有一定的生物相容性和可降解性，能夠滿足細胞生長和組織修復(fù)的基本需求。

然而，它們大多不具備導(dǎo)電性，而電信號在細胞的生長、分化和功能發(fā)揮中起著至關(guān)重要的作用（參考文獻[5]）。細胞就像一個個微型“發(fā)電站”，能夠產(chǎn)生和傳遞電信號。這些電信號是細胞之間溝通的重要“語言”，調(diào)節(jié)著細胞的生理活動。因此，在構(gòu)建功能性組織或器官時，支架能否傳遞電信號，就顯得尤為關(guān)鍵。

為了實現(xiàn)這一目標，科學(xué)家們一直在努力研發(fā)一種核心材料——導(dǎo)電生物墨水，用于3D打印“電活性支架”。但是，這項工作并不容易，這是因為它的開發(fā)面臨著一個被稱為“不可能三角”的難題：它必須在細胞友好性（對細胞損傷小）、優(yōu)異的可打印性/結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及高效離子導(dǎo)電性三者之間取得完美平衡，這對于研究者來說是一個巨大的挑戰(zhàn)（參考文獻[6]）。

導(dǎo)電生物墨水的三要素

（圖片來源：作者繪制）

為解決這一難題，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所類器官創(chuàng)新中心黃潔項目研究員等人，經(jīng)過多年潛心研究，成功開發(fā)出了一種新型離子導(dǎo)電生物墨水，巧妙破解了“不可能三角”難題。

巧妙的協(xié)同設(shè)計，解決“不可能三角”難題

那么，我們研發(fā)的新型生物墨水究竟有何特殊之處呢？答案在于它獨特的組成成分。這種離子導(dǎo)電生物墨水（GHCM）是由甲基丙烯酸化明膠（GelMA）、氧化透明質(zhì)酸（OHA）、羧甲基殼聚糖（CMCS）及兩性離子單體2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿（MPC）組成，成功平衡了生物墨水的三大核心需求：細胞友好性、可打印性和導(dǎo)電性。

其中最關(guān)鍵的創(chuàng)新在于我們引入了“剛性-動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)”的設(shè)計策略。簡單來說，就是在材料中構(gòu)建了兩個互補的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：一個穩(wěn)定堅固，確保打印出的支架形狀不變形（GelMA通過光固化形成剛性網(wǎng)絡(luò)）；另一個則靈活可變，能在打印過程中適應(yīng)外力變化，保護細胞不被損傷（OHA與CMCS通過動態(tài)共價鍵形成可逆的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)）。

傳統(tǒng)的材料往往無法同時兼顧這兩個方面——低粘度材料雖然對細胞友好，但打印后支架容易塌陷；高粘度材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，卻可能對細胞造成機械損傷。而GHCM恰好解決了這個難題：它既有利于打印，又不傷害細胞。

更令人興奮的是，GHCM還攻克了導(dǎo)電性難題。此前的材料導(dǎo)電性不穩(wěn)定，而MPC這一特殊成分的加入，使得生物墨水在打印成型后具有穩(wěn)定的電信號傳導(dǎo)能力，模擬了人體組織中電信號的自然傳輸方式。

應(yīng)用驗證：導(dǎo)電皮膚支架加速傷口愈合

隨后，我們還設(shè)計了實驗來驗證這一新型生物墨水的效果。我們將人包皮成纖維細胞（HFF-1）、人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）和人永生化角質(zhì)形成細胞（HaCaT）分別與GHCM生物墨水混合，采用多噴頭生物3D打印技術(shù)，成功打印出了一種具備致密表皮層和血管化真皮層的雙層導(dǎo)電皮膚。

通過體外培養(yǎng)和動物實驗，我們發(fā)現(xiàn)，這種導(dǎo)電皮膚能夠為細胞生長提供一種“帶電”微環(huán)境，幫助細胞更好地完成信號傳遞、生長、遷移和分化。最終，它可以顯著加快皮膚傷口的愈合過程，包括表皮的快速修復(fù)、新生膠原蛋白的沉積以及血管的再生，全面促進傷口恢復(fù)。

利用3D生物打印技術(shù)構(gòu)建雙層導(dǎo)電皮膚用于全層皮膚缺損治療

（圖片來源：參考文獻[7]）

GHCM生物墨水的成功研發(fā)，為再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了新的希望。未來，基于這種新型離子導(dǎo)電生物墨水結(jié)合3D打印技術(shù)，有望為電活性組織（如心肌、神經(jīng)、皮膚等）的再生提供一種通用解決方案，滿足可定制需求、支持規(guī)?；瘧?yīng)用、具備臨床轉(zhuǎn)化潛力，顯著拓寬再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用邊界，讓更多器官的修復(fù)和替代成為可能。

參考文獻：

[1]“等待器官移植人數(shù)已超14萬，每年接受移植者不到2萬，區(qū)域共享機制待破題”，錢童心.

[2]人體器官和組織移植. 世界衛(wèi)生組織第七十五屆世界衛(wèi)生大會總干事的報告，2022年.

[3]王樂禹, 邱小忠, 王璞玥, 杜全生, 谷瑞升. 組織工程研究的現(xiàn)狀及應(yīng)關(guān)注的重要基礎(chǔ)科學(xué)問題[J]. 中國科學(xué)基金, 2020, 34(2): 213-220.

[4]賀永, 高慶, 劉安, 孫苗, 傅建中. 生物3D打印——從形似到神似[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2019, 53(3): 407-419.

[5]陳漢坤, 朱偉. 電活性生物材料在皮膚組織工程中的應(yīng)用[J]. 廣州化工, 2025, 53(12): 1-4.

[6]張家盛, 吳剛, 邱江. 組織工程中細胞與生物材料相互作用研究進展[J]. 生物工程學(xué)報, 2021, 37(08): 2668-2677.

[7]Y. Wang, C. Gao, S. Cheng, Y. Li, Y. Huang, X. Cao, Z. Zhang, J. Huang. 3D Bioprinting of Double-Layer Conductive Skin for Wound Healing. Adv. Healthcare Mater. 2025, 14(9): 2404388.

出品：科普中國

作者：黃潔 程勝男（中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所）

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