微藻负载支架的3D生物打印技术：突破组织再生中缺氧瓶颈的创新策略

本研究针对组织工程中植入后缺氧导致细胞凋亡的关键难题，创新性地采用南极极地微藻（Chlorella variabilis）与10%胶原-海藻酸盐水凝胶复合生物墨水，通过3D生物打印构建光合产氧支架。实验证实该支架溶解氧浓度提升至12 mg L-1，微藻存活达6天以上，为开发兼具氧供给与生物活性物质递送功能的智能伤口敷料提供了新范式。

论文解读

在组织工程领域，缺氧始终是制约三维组织培养物存活的核心瓶颈。传统解决方案如过氧化钙等氧释放材料虽能短期供氧，却因副产物毒性及不可控释放特性导致细胞损伤。而自然界中，微藻通过光合作用持续产氧的生物学特性，为这一难题提供了全新思路。近年来，将微藻与人体细胞共培养的研究已证实其可显著缓解低氧环境下的细胞应激反应，但如何实现微藻在三维支架中的精准定位与长期存活，仍是亟待突破的技术壁垒。

针对这一挑战，来自Yildiz Technical University的研究团队在《Journal of Applied Phycology》发表创新性成果。该研究首次将南极来源的极地微藻Chlorella variabilis YTU.ANTARCTIC.001与胶原/海藻酸盐水凝胶结合，通过挤出式3D生物打印技术构建具有规则孔隙结构的光合活性支架。研究采用Celink BIOX生物打印机，以10 mm s^-1打印速度和50 kPa压力制备20×20×2 mm³支架，并通过100 mM CaCl₂交联固化。通过监测溶解氧、叶绿素a含量及pH动态变化等指标，系统评估了支架的生物学性能。

主要技术方法
研究采用UV灭菌处理的3.5%海藻酸钠与5-15%胶原复合溶液作为生物墨水基质，通过微挤出式3D打印构建多层支架。极地微藻以1.5×10⁵ cells mL^-1密度负载于10%胶原配比的优化配方中，在BG-11培养基中持续培养16天。采用分光光度法（680 nm）监测微藻生长曲线，甲醇提取法测定叶绿素a含量（666 nm），并利用溶氧探头定量光合产氧效率。

研究结果

Printability test
通过比较不同胶原比例（5%/10%/15%）发现：5%组因粘度不足导致结构坍塌，15%组因高粘度引发打印残留。10%胶原配比展现出最佳流变特性，成功打印出具有蜂窝/三角/网格等多种填充结构的稳定支架，交联后孔隙率保持完整。

Bioprinting of microalgae-laden scaffold
负载微藻的10%胶原支架在培养期间呈现典型生长曲线：1-8天对数生长期OD₆₈₀显著上升，14天时叶绿素a含量达峰值（对应A₆₆₆=0.85）。pH值呈现先降后升的波动（初始7.5→第1天6.0→第3天恢复至6.8），反映微藻代谢活性与培养基缓冲体系的动态平衡。

Measurement of dissolved oxygen
溶解氧浓度呈现先抑后扬趋势：第1天因微藻适应期降至5.1 mg L^-1，随后光合作用增强使浓度持续攀升，第14天达11 mg L^-1（较初始6 mg L^-1提升83%），证实支架具备持续氧供给能力。

讨论与意义
该研究通过创新性地整合极地微藻特性与3D生物打印技术，突破性地解决了传统组织工程支架的缺氧难题。南极来源的Chlorella variabilis展现出极端环境适应力，其高活性光合作用使支架溶解氧浓度突破12 mg L^-1，远超常规氧释放材料的安全阈值。胶原蛋白的引入不仅优化了打印性能，更通过模拟细胞外基质（ECM）促进成纤维细胞粘附分化。这种"生物光合工厂"策略为慢性伤口、烧伤等缺氧敏感型组织修复提供了革命性解决方案，未来可通过调控光照周期实现氧释放的时空精准控制。研究团队特别指出，该技术路线可扩展至其他极地微生物的应用探索，为开发下一代智能生物材料开辟了新航道。