出品：科普中国

作者：黄洁 程胜男（中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所）

监制：中国科普博览

随着全球人口老龄化加剧以及疾病发病率的上升，器官移植的需求持续增长。然而，器官供体的严重短缺让大量患者陷入“生命等待”的困境（参考文献[1]）。以我国为例，每年有超过30万患者急需器官移植，但最终能够匹配到合适供体的患者不足1%（参考文献[2]）。供需之间的巨大缺口，已成为医学领域亟待解决的重大难题。

组织工程技术的出现，为破解这一困局带来了曙光。简单来说，**组织工程技术就像一个建筑团队，但它盖的不是房子，而是器官。**它利用生物学、材料学和工程学原理，在体外构建出能够修复或替代人体受损组织器官的生物替代品。

其中，有一个关键组成部分，那就是——“支架”。支架就像是一座建筑的“钢筋骨架”，为细胞生长和组织形成提供支撑结构。它不仅为细胞提供附着和生长的场所，还能引导细胞按照预定的形状和结构进行排列，最终形成具有特定功能的组织或器官（参考文献[3]）。

随着科技的不断进步，“支架”的构建技术也日新月异，其中生物3D打印技术尤为引人瞩目。生物3D打印的原理和我们日常看到的3D打印有些相似，只不过它使用的不是金属或塑料等打印材料，而是专门的“生物墨水”。

生物墨水的“不可能三角”难题

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打印过程中，首先通过医学成像技术，如CT、MRI等，获取患者病变部位的精确数据，然后利用计算机辅助设计软件将这些数据转化为三维模型。

接下来，将生物墨水装入3D打印机的墨盒中，打印机根据三维模型的指令，将生物墨水逐层打印出来，最终构建出与病变部位相匹配的支架。这里所用的生物墨水通常由细胞、生物材料和各种有助于细胞生长的活性因子组成，可以说是“活的材料”（参考文献[4]）。

打印结束后，通过在体外为细胞提供适宜的生长环境，比如模拟体内的机械刺激、营养供给和化学信号，帮助细胞之间建立联系、传递信号，让打印出来的支架逐渐成熟，形成组织器官。

利用3D生物打印技术构建人工组织或器官

（图片来源：参考文献[4]）

早期通过生物3D打印技术打印出来的支架，主要选用一些天然生物材料，如胶原、纤维蛋白和壳聚糖等。这些材料有一定的生物相容性和可降解性，能够满足细胞生长和组织修复的基本需求。

然而，它们大多不具备导电性，而电信号在细胞的生长、分化和功能发挥中起着至关重要的作用（参考文献[5]）。细胞就像一个个微型“发电站”，能够产生和传递电信号。这些电信号是细胞之间沟通的重要“语言”，调节着细胞的生理活动。因此，在构建功能性组织或器官时，支架能否传递电信号，就显得尤为关键。

为了实现这一目标，科学家们一直在努力研发一种核心材料——导电生物墨水，用于3D打印“电活性支架”。但是，这项工作并不容易，这是因为它的开发面临着一个被称为**“不可能三角”的难题：它必须在细胞友好性（对细胞损伤小）、优异的可打印性/结构稳定性以及高效离子导电性三者之间取得完美平衡，**这对于研究者来说是一个巨大的挑战（参考文献[6]）。

导电生物墨水的三要素

（图片来源：作者绘制）

为解决这一难题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所类器官创新中心黄洁项目研究员等人，经过多年潜心研究，成功开发出了一种新型离子导电生物墨水，巧妙破解了“不可能三角”难题。

巧妙的协同设计，解决“不可能三角”难题

那么，我们研发的新型生物墨水究竟有何特殊之处呢？答案在于它独特的组成成分。这种离子导电生物墨水（GHCM）是由甲基丙烯酸化明胶（GelMA）、氧化透明质酸（OHA）、羧甲基壳聚糖（CMCS）及两性离子单体2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPC）组成，成功平衡了生物墨水的三大核心需求：细胞友好性、可打印性和导电性。

其中最关键的创新在于我们引入了“刚性-动态双网络交联”的设计策略。简单来说，就是在材料中构建了两个互补的结构系统：一个稳定坚固，确保打印出的支架形状不变形（GelMA通过光固化形成刚性网络）；另一个则灵活可变，能在打印过程中适应外力变化，保护细胞不被损伤（OHA与CMCS通过动态共价键形成可逆的动态网络）。

传统的材料往往无法同时兼顾这两个方面——低粘度材料虽然对细胞友好，但打印后支架容易塌陷；高粘度材料结构稳定，却可能对细胞造成机械损伤。而GHCM恰好解决了这个难题：它既有利于打印，又不伤害细胞。

更令人兴奋的是，GHCM还攻克了导电性难题。此前的材料导电性不稳定，而MPC这一特殊成分的加入，使得生物墨水在打印成型后具有稳定的电信号传导能力，模拟了人体组织中电信号的自然传输方式。

应用验证：导电皮肤支架加速伤口愈合

随后，我们还设计了实验来验证这一新型生物墨水的效果。我们将人包皮成纤维细胞（HFF-1）、人脐静脉内皮细胞（HUVEC）和人永生化角质形成细胞（HaCaT）分别与GHCM生物墨水混合，采用多喷头生物3D打印技术，成功打印出了一种具备致密表皮层和血管化真皮层的双层导电皮肤。

通过体外培养和动物实验，我们发现，这种导电皮肤能够为细胞生长提供一种“带电”微环境，帮助细胞更好地完成信号传递、生长、迁移和分化。最终，它可以显著加快皮肤伤口的愈合过程，包括表皮的快速修复、新生胶原蛋白的沉积以及血管的再生，全面促进伤口恢复。

利用3D生物打印技术构建双层导电皮肤用于全层皮肤缺损治疗

（图片来源：参考文献[7]）

GHCM生物墨水的成功研发，为再生医学领域带来了新的希望。未来，基于这种新型离子导电生物墨水结合3D打印技术，有望为电活性组织（如心肌、神经、皮肤等）的再生提供一种通用解决方案，满足可定制需求、支持规模化应用、具备临床转化潜力，显著拓宽再生医学的应用边界，让更多器官的修复和替代成为可能。

参考文献：

[1]“等待器官移植人数已超14万，每年接受移植者不到2万，区域共享机制待破题”，钱童心.

[2]人体器官和组织移植. 世界卫生组织第七十五届世界卫生大会总干事的报告，2022年.

[3]王乐禹, 邱小忠, 王璞玥, 杜全生, 谷瑞升. 组织工程研究的现状及应关注的重要基础科学问题[J]. 中国科学基金, 2020, 34(2): 213-220.

[4]贺永, 高庆, 刘安, 孙苗, 傅建中. 生物3D打印——从形似到神似[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(3): 407-419.

[5]陈汉坤, 朱伟. 电活性生物材料在皮肤组织工程中的应用[J]. 广州化工, 2025, 53(12): 1-4.

[6]张家盛, 吴刚, 邱江. 组织工程中细胞与生物材料相互作用研究进展[J]. 生物工程学报, 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.

来源: 中国科普博览

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