再生医学为修复、替代或再生受损组织和器官提供了重要的机遇。在这一领域中，三维（3D）生物打印因能够制备出复刻天然组织生物学与力学特征的定制化结构而备受关注。光交联生物墨水作为一种多功能材料体系，利用光诱导反应实现快速且空间可控的凝胶化，为构建功能性类组织结构提供可调的力学性能和优异的打印保真度。本综述系统阐述了光交联生物墨水的原理与机制，重点关注主要的光交联策略及光引发剂在调控这些过程中的作用。文章进一步对光交联生物墨水进行分类讨论，涵盖合成聚合物、天然水凝胶及载细胞配方，并分析关键的配方参数。此外，综述评估了此类生物墨水的优势与局限性，结合具体生物医学应用案例加以说明，并最终针对该快速发展领域的临床转化挑战提出未来发展方向与技术革新路径。
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引言
再生医学致力于修复或替代因衰老、疾病、创伤或先天缺陷导致功能受损的组织与器官。尽管生物医学研究与治疗策略不断进步，复杂组织缺损（如大段骨缺损、软骨退变及慢性创面）的临床管理仍面临显著局限。传统治疗手段往往难以完全恢复功能或与宿主组织长期整合，因此亟需更有效、个体化的再生解决方案。3D生物打印通过将细胞、生物材料与信号分子有序组装，制备功能性类组织结构，为解决上述问题提供了有力手段。该技术的成功高度依赖于生物墨水配方的创新，理想的生物墨水需同时支持细胞活性、维持结构完整性并模拟细胞外基质（ECM）特性。光交联技术利用光敏聚合物与光引发剂在光照下形成共价键，因其高效的交联效率与精准的时空控制能力而成为研究热点。通过调节光波长、强度与曝光时间，可精确调控打印结构的微结构与力学性能。典型代表明胶甲基丙烯酰（GelMA）在紫外光（360–380 nm）与光引发剂Irgacure 2959作用下发生自由基反应，形成稳定的3D水凝胶网络，其力学性能与降解行为均可精细调控。根据生物墨水黏度差异，光交联可应用于打印前预交联、打印中原位交联或打印后交联，从而在体外构建高度仿生的正常与病理组织模型。
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生物墨水中光交联的基本机制
2.1 光交联机制
光交联是一种光激活过程，通过聚合或交联形成稳定的生物大分子网络，其核心是光引发剂吸收特定波长光能产生活性物种，触发聚合物链上官能团的反应。通过调控波长、强度与曝光时间，可精确控制网络形成的时空特征。在3D生物打印中，光交联可应用于制造前增强墨水流变性能、挤出过程中维持丝条完整性或打印后保障结构稳定性。主要策略包括自由基链式聚合、硫醇-烯光化学与光介导氧化还原交联。
2.1.1 自由基链式聚合
该过程分为引发、增长与终止三步。光照使光引发剂发生光裂解产生活性自由基，攻击单体分子形成新共价键；增长阶段持续生成新的自由基链；终止阶段通过自由基复合或歧化反应形成稳定交联网络。该方法交联速度快、效率高，但易受氧抑制影响，氧气会与活性自由基反应导致交联不完全。常用应对策略包括提高光引发剂浓度、使用单线态氧清除剂及多功能丙烯酸酯等。
2.1.2 硫醇-烯光交联
属于逐步聚合，巯基（-SH）与烯键（C=C）在光照下形成均一共价网络。与自由基链式聚合相比，其反应更可控，网络结构更均匀，且受氧抑制影响较小。硫醇-烯反应产生的自由基较少，细胞毒性低，且对天然生物聚合物的化学修饰需求少，有利于保持其固有生物活性。混合型聚合体系（如硫醇-丙烯酸酯网络）可同时调控降解曲线与力学性能，适用于特定再生医学支架设计。
2.1.3 光介导氧化还原交联
利用光氧化还原催化剂诱导含酚大分子间的共价键形成。光激发的光敏剂与分子氧作用产生活性氧（ROS），在有氧条件下生成单线态氧与超氧阴离子参与氧化还原反应。与自由基聚合不同，该过程依赖氧气而非受其抑制。
2.2 光引发剂：类型与作用
光引发剂是将光能转化为引发聚合的活性化学物种的关键，决定固化所需波长、时间与强度，并影响细胞相容性与打印速度。主要分为I型（裂解型）与II型（光敏剂型）。I型引发剂光照后均裂产生自由基；II型引发剂需与共引发剂协同，通过能量或电子转移产生活性物种。选择时需考虑水溶性、摩尔消光系数、细胞毒性与聚合动力学。常用光引发剂包括Irgacure 2959、LAP（Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoyl-phosphinate）、TPO-L、曙红Y+胺体系、核黄素+胺体系、玫瑰红+氨基酸体系、Ru(bpy)32++过硫酸钠（SPS）、樟脑醌+胺体系等，各自在吸收光谱、固化效率、细胞相容性与适用场景上存在差异。
2.2.1 I型光引发剂
吸收光能后激发至单重态或三重态，发生均裂产生自由基。Irgacure 2959因在紫外光下的高效性被广泛使用，但其摩尔消光系数低，常需较长曝光时间或较高浓度，可能影响细胞活性。LAP作为替代者，水溶性更好、摩尔消光系数更高、聚合速度更快，且在较低浓度下即可维持高细胞存活率，适用于蓝光（405 nm）固化。
2.2.2 II型光引发剂
主要作为可见光聚合的光敏剂，通过多步机制产生活性自由基。虽聚合动力学通常慢于I型，但细胞存活率常超过90%。樟脑醌广泛用于牙科复合材料，但在多数生物打印场景中表现受限。钌基体系（如Ru(bpy)32++SPS）在可见光下可实现快速凝胶化，细胞相容性良好，适合载细胞构建体。不同光源（紫外光、可见光、双光子聚合）在反应动力学、空间分辨率、穿透深度与生物相容性上各具特点，需根据应用需求选择。
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光交联生物墨水
光交联生物墨水专为光辅助3D生物打印设计，包含光响应官能团，可在特定波长光照下快速定点固化。通常由光敏聚合物、光引发剂及细胞、生长因子等生物组分构成，相比传统生物墨水具有更高的结构完整性、细胞活性、理化性能可调性及精确的时空控制能力。
3.1 光交联生物墨水的类型
3.1.1 天然来源光交联生物墨水
胶原、明胶、透明质酸（HA）、丝素蛋白（SF）、脱细胞细胞外基质（dECM）等因良好的生物相容性、降解性与生物活性被广泛使用。胶原可通过酪氨酸残基进行光氧化还原交联，也可经甲基丙烯酰、降冰片烯或巯基修饰提升交联效率与力学性能。明胶经甲基丙烯酸酐改性得到GelMA，兼具高生物相容性与良好打印性能。HA经甲基丙烯酰化得到HAMA，可与明胶等复合改善支架稳定性。SF因含酪氨酸可进行可见光氧化还原交联，也可改性为SF-NB或SFMA以增强细胞友好性与力学性能。dECM保留天然组织的物理与生化信号，但纯物理凝胶力学强度不足，常通过光交联（如Ru/SPS体系）或化学修饰（如dECM-MA）提升结构性能。
3.1.2 合成光交联生物墨水
聚乙二醇（PEG）因亲水性好、易化学修饰、蛋白吸附低且免疫原性低而被广泛应用。聚乙烯醇（PVA）与聚丙烯酸（PAA）等可通过调整化学基团获得可调降解性与高力学强度，但细胞黏附性差。通过引入RGD肽等生物活性 motif 可显著提升其细胞支持能力。
3.2 通过水凝胶改性增强细胞支持
现代水凝胶设计已超越简单天然/合成分类，更注重通过化学与生化修饰提升细胞支持能力。天然聚合物改性（如GelMA保留RGD序列）与合成聚合物功能化（如PVA-MA接枝CRGD肽）均能有效促进细胞黏附、增殖与分化。3D载细胞生物打印需根据打印模式（喷墨、挤出、立体光刻）优化生物墨水流变性能与交联效率，以维持细胞活性。
3.3 生物墨水配方设计考量
3.3.1 黏度调控
黏度是生物墨水流动阻力的量度，受温度、组成浓度及分子量影响。剪切稀化特性有助于挤出过程降低喷嘴堵塞风险，沉积后恢复黏度维持形状保真度；触变性则进一步在持续剪切下降低黏度，静置后缓慢恢复，利于复杂结构成型。不同生物墨水黏度差异显著，需针对打印方式优化。
3.3.2 交联效率优化
交联效率受光引发剂类型与浓度、中间活性物种生成及反应动力学共同影响。需平衡快速固化与细胞活性保护，同时考虑生物墨水化学环境（如极性）对反应速率的影响。
3.3.3 生物相容性
未反应官能团、残留光引发剂及活性自由基均可能对细胞产生负面影响。通过透析去除小分子残留、清洗打印后构建体及选用低毒光引发剂（如TPOL、MBF）可有效提升生物相容性。
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在再生医学中的应用
4.1 组织特异性策略
4.1.1 骨与软骨
光交联生物墨水结合数字光处理（DLP）等技术可制备高分辨率仿生结构，复刻骨小梁各向异性或软骨分区结构。通过调节光强与曝光时间可构建梯度支架，匹配天然组织异质性。例如SilMA/纳米羟基磷灰石复合材料可促进M2巨噬细胞极化，在大鼠股骨缺损中显著加速骨再生；双网络LT-GelMA/F127-DA水凝胶提升了耳廓软骨再生效果；双层SilMA支架分别支持软骨与骨分化，模拟骨软骨界面梯度。
4.1.2 骨骼肌
光交联生物墨水可实现肌纤维定向排列与收缩功能仿生。GelMA基墨水结合生物活性玻璃纳米颗粒或生长因子缓释微球，可促进肌管成熟与功能恢复。光纤辅助生物打印（OAB）技术实现了墨水流道内原位交联，提升了肌细胞的排列与分化效率，在小鼠体积性肌肉缺损模型中促进再生并减少纤维化。
4.1.3 肌腱
光交联生物墨水可构建各向异性支架引导细胞排列，模拟肌腱-骨界面梯度。例如Ru/SPS固化的明胶水凝胶负载bFGF与BMP-12，在大鼠肩袖缺损中显著提升力学强度与胶原成熟度；梯度仿生支架（GBS-E）结合肌腱、软骨与骨来源的dECM，在兔肩袖缺损中实现类似天然界面的再生。
4.1.4 牙科领域
牙周膜干细胞（PDLSCs）封装于GelMA/PEGDA复合水凝胶中，通过调节配比促进成骨分化，在大鼠牙槽骨缺损中显著提升再生效果。3D生物打印的GelMA/dECM载细胞模块可引导牙周纤维定向排列，抑制炎症并促进复杂牙周组织再生。
4.1.5 心血管领域
光交联生物墨水用于构建血管网络与心肌补片。同轴打印技术可制备管腔结构，支持内皮化与平滑肌细胞组织；GelMA/藻酸盐甲基丙烯酰（AlgMA）/还原氧化石墨烯（rGO）复合墨水兼具导电性与力学强度，支持心肌细胞同步搏动；集成微太阳能电池的GelMA支架可通过光刺激无创调控心脏搏动频率。
4.1.6 皮肤
光交联生物墨水用于制备双层皮肤结构与免疫活性皮肤模型。双交联果胶基墨水可独立调控流变与力学性能，支持真皮与表皮层重建；含血小板释放物的SilMA/GelMA复合墨水构建了含预血管化真皮层的仿生皮肤模型，可用于刺激性测试；载皮肤类器官的复合打印系统显著加速小鼠全层皮肤缺损愈合，促进胶原排列与血管化。
4.1.7 角膜
光交联生物墨水需满足透明性、力学强度与细胞相容性要求。GelMA/透明质酸复合墨水可复刻角膜基质层结构，支持角膜细胞表型维持；手持式生物笔（biopen）结合光交联技术，可在手术中原位打印角膜修复材料，实现全层切口闭合。
4.1.8 神经系统
光交联生物墨水通过调控刚度与生化信号支持神经干细胞分化。SilMA/果胶双交联体系兼具可打印性与神经支持能力，在无外源生长因子条件下促进神经元发育与突触形成。
4.1.9 其他组织
在肝脏、气管、卵巢与泌尿系统再生中均有应用探索。例如猪卵巢dECM基墨水负载原代卵巢细胞，在小鼠模型中恢复内分泌功能；肾dECM甲基丙烯酰（KdECMMA）墨水支持人肾脏细胞存活与成熟。
4.2 全器官置换与人工器官移植前景
光交联生物墨水已实现角膜等相对简单结构的临床前移植验证，但血管化、多细胞复杂器官（如肝、肾、肺）的全功能构建仍面临巨大挑战，目前多用于药物筛选与疾病建模。
4.3 个性化医疗
结合患者自体细胞或生物材料，光交联生物墨水可制备个体化组织模型与再生支架。例如富血小板血浆（PRP）整合入水凝胶可定制释放生长因子；带血管网络的3D肝模型可更精准模拟药物代谢与扩散。
4.4 水凝胶开发与表征的前沿进展
多波长正交交联策略可实现网络的分步构建与性能独立调控；体积生物打印大幅提升制造速度与细胞活性；功能水凝胶从被动支持向主动调控细胞行为发展；4D材料可随时间响应外界刺激发生形态或功能变化，进一步提升仿生程度。
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挑战与局限性
氧抑制、光穿透深度限制、材料流变性能与力学强度的权衡、大规模均匀交联困难、光引发剂潜在细胞毒性、监管审批不明确及制造成本高昂等问题仍需解决。
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结论与未来展望
光交联生物墨水将持续推动再生医学发展。未来需进一步优化配方与打印工艺，结合人工智能、微流控与多材料打印技术，开发智能响应型生物墨水，并推进规模化生产与临床转化。
