一、研究背景

1. 纯二氧化硅材料的优势与缺陷

• 优势：具备骨再生诱导性、生物活性、促血管生成与成骨作用，介孔结构可控，可包载药物
• 缺陷：脆性大、降解性极差，难以满足骨修复的力学与降解匹配需求

2. 现有杂化材料的不足

• 传统二氧化硅复合材料存在：药物包载受限、二氧化硅含量低、打印易堵头、无机-有机无化学键合、基体降解过快等问题
• 已有的溶胶-凝胶杂化材料缺少RGD细胞黏附序列，细胞黏附与增殖效果差
• 多数配方明胶占比高于二氧化硅，降低骨修复生物活性

3. 研究出发点

以TEOS为硅源、GPTMS为交联剂、明胶为有机相，制备二氧化硅为主相的杂化墨水，实现可打印、可调控、高生物活性的骨组织工程支架。

二、研究内容

1. 实验材料与方法

• 硅源：正硅酸乙酯(TEOS)；交联剂：3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)
• 有机相：A型猪皮明胶；溶胶-凝胶反应，温和温度(35℃)制备
• 调控参数：TEOS/GPTMS比例、明胶/溶胶比例、pH值(4.5/5.0/5.5)
• 打印设备：直写式(DIW)3D打印机；打印后熟化7天+冷冻干燥

2. 墨水配方筛选

固定水/TEOS摩尔比=8，筛选TEOS:GPTMS=5:5~9:1，明胶/溶胶=1:1/0.5:1，pH=4.5/5.0，最终得到4组可打印墨水：

• T8G1：TEOS:GPTMS=8:2，明胶:溶胶=1:1，pH4.5
• T8G0.5：TEOS:GPTMS=8:2，明胶:溶胶=0.5:1，pH4.5
• T7G1：TEOS:GPTMS=7:3，明胶:溶胶=1:1，pH4.5
• T7G1-5.0：TEOS:GPTMS=7:3，明胶:溶胶=1:1，pH5.0

图2 不同明胶pH、TEOS:GPTMS体积比下的可打印条件：(a)溶胶:明胶=1:1；(b)溶胶:明胶=1:0.5

3. 支架性能表征

1. 打印精度与收缩：融合率、可打印性、塌陷率、支架收缩率、杆径尺寸
2. 力学性能：弹性模量、最大应力、断裂应变（湿态37℃水浴24h）
3. 理化性能：吸水率、体外降解（PBS 21天）、明胶释放动力学
4. 生物活性：SBF模拟体液中磷灰石形成能力（SEM+EDS）
5. 细胞相容性：大鼠间充质干细胞(rMSCs)黏附、增殖、活死染色与免疫荧光

图3 杂化墨水形状保真度评价：(a)融合率；(b)可打印性；(c)塌陷因子

图4 15×15×3 mm³ 3D打印支架及其SEM表面形貌（T8G1、T8G0.5、T7G1、T7G1-5.0）

4. 关键测试数据

表1 组别编码汇总

表2 收缩率与支架杆径

* 与T8G1相比有统计学差异(p<0.05)

表3 力学性能汇总

ᵃ 与纯二氧化硅相比有统计学差异(p<0.05)

图5 3D打印支架理化特性分析：(a)湿态应力-应变曲线；(b)24h吸水率；(c)21天降解率；(d)明胶释放动力学

图6 体外磷灰石形成测试：(a)-(e)不同组别3/7天SEM图；(f)EDS钙磷元素确认

图7 杂化薄膜细胞毒性评价：第1天与第7天DNA定量

图8 3D支架细胞增殖：(a)DNA定量；(b)免疫荧光染色（鬼笔环肽绿色/DAPI蓝色）

三、研究结论

1. 墨水与打印性能

• 成功制备4组可打印杂化墨水，二氧化硅为主相，打印精度高、塌陷率低
• T7G1-5.0(pH5.0)打印精度最优，杆径更均匀，融合率更低
• 杂化支架收缩率(35%~45%)显著低于纯二氧化硅(62%)

2. 理化与力学性能

• 吸水率：杂化支架是纯二氧化硅的4~8倍，T7组吸水率最高
• 降解性：纯二氧化硅21天仅降解2.5%，杂化支架降解4%~13.5%
• 力学：明胶显著降低脆性，T7组塑性与形变能力最优

3. 生物活性

• 磷灰石形成能力保留：T8G0.5、T7G1、T7G1-5.0在3天即出现磷灰石沉积
• 细胞相容性：T8G1、T8G0.5无毒性，细胞黏附与增殖显著优于纯二氧化硅，7天细胞数提升约3倍
• T7组因GPTMS残留环氧基具有一定细胞毒性

4. 应用价值

该二氧化硅-明胶杂化支架兼顾二氧化硅生物活性与明胶的细胞亲和性、柔韧性、可降解性，温和制备工艺适合包载生物活性因子，在骨组织工程中具备极高应用潜力。

四、论文核心亮点

• 首次实现二氧化硅为主相的二氧化硅-明胶杂化3D打印墨水
• 通过pH、硅源/交联剂比例精准调控打印窗口与支架性能
• 同时改善纯二氧化硅的脆性、降解差、细胞黏附弱三大缺陷
• 保留生物活性，可定制化用于个性化骨修复