2026年2月21日，南極熊獲悉，克里特大學和希臘研究與技術(shù)基金會（FORTH/IESL）的研究人員報告了一種利用姜黃素作為多功能光引發(fā)劑，通過雙光子聚合（2PP）一步法制備生物活性3D水凝膠支架的策略。

這項研究以題為“One-Step Fabrication andBiofunctionalization of 3D GelMA-based Scaffolds through GelMA-CurcuminCo-Initiated Two-Photon Polymerization”的論文發(fā)表在《researchsquare》預(yù)印本。研究指出姜黃素發(fā)揮雙重作用：它既能實現(xiàn)高分辨率3D打印，又能在制備過程中賦予材料抗菌性能，從而無需后續(xù)的修飾處理。

論文鏈接：https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-8658051/v1

雙光子聚合（2PP）廣泛應(yīng)用于組織工程中的微尺度支架制備。然而，由于缺乏兼具高非線性吸收效率和細胞相容性的光引發(fā)劑，2PP技術(shù)在水凝膠體系中的更廣泛應(yīng)用受到限制。傳統(tǒng)的引發(fā)劑，例如Irgacure2959，在近紅外激發(fā)下雙光子吸收截面較低，需要更高的激光強度，這會增加熱損傷的風險并降低結(jié)構(gòu)保真度。

△GelMA/姜黃素與傳統(tǒng)光引發(fā)劑的加工窗口對比，展示了不同激光強度和掃描速度下的成功制備區(qū)域。圖片來自 Charitaki 等人，2026

GelMA-姜黃素相互作用增強非線性吸收

在已報道的研究中，姜黃素（一種源自姜黃的天然多酚）被添加到10% (w/v) 的GelMA配方中。開孔Z掃描測量結(jié)果表明，GelMA/姜黃素混合物的雙光子吸收截面約為1500 GM，而單獨的姜黃素的雙光子吸收截面約為320 GM。

研究人員將這種增強效果歸因于姜黃素與GelMA骨架中疏水性氨基酸殘基之間的相互作用。這些相互作用促進了局部聚集和更強的電子耦合，從而增加了打印過程中焦點體素內(nèi)的非線性能量沉積。

參數(shù)化加工研究表明，光引發(fā)劑配方具有較寬的加工窗口。GelMA/姜黃素配方可在低至0.15 TW/cm2的激光強度下支持聚合反應(yīng)，掃描速度最高可達52 mm/s。相比之下，含有Irgacure 2959、曙紅Y或玫瑰紅的GelMA配方加工窗口較窄，且在某些情況下，在高強度激光照射下會出現(xiàn)熱損傷。

打印復雜的TPMS和類骨晶格

研究團隊利用多光子光刻技術(shù)制備了方形晶格、螺旋面和施瓦茨金剛石三重周期極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)以及類骨晶格結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡證實，孔徑大小從幾微米到超過150微米不等，具體尺寸取決于幾何形狀。水合樣品的光學顯微鏡觀察表明，支架結(jié)構(gòu)在溶脹后仍保持穩(wěn)定。

由于TPMS幾何形狀具有連續(xù)曲率和高表面積與體積比，能夠改善營養(yǎng)擴散和細胞浸潤，因此在再生醫(yī)學中得到廣泛應(yīng)用。

△掃描電子顯微鏡圖像顯示了 3D 打印的 GelMA/姜黃素晶格結(jié)構(gòu)，包括具有互連孔隙的三重周期最小表面 (TPMS) 幾何結(jié)構(gòu)。圖片來自 Charitaki 等人，2026。

干細胞相容性和雙重抗菌功能

采用間充質(zhì)干細胞（MSCs）評估了生物相容性。雖然代謝活性在第一天略有下降，但到第三天細胞活力恢復至對照水平。掃描電鏡成像證實了細胞在支架孔隙內(nèi)的黏附、增殖和浸潤。

除了可打印性和細胞相容性之外，研究還報道了固有的抗菌性能。在藍光LED照射（~450 nm）下，GelMA/姜黃素薄膜對金黃色葡萄球菌的抑制率約為99.9%，對大腸桿菌的菌落形成單位抑制率超過90%。此外，薄膜還表現(xiàn)出對大腸桿菌的被動防污效果，與使用傳統(tǒng)光引發(fā)劑打印的GelMA薄膜相比，初始細菌黏附量有所降低。

抗菌作用歸因于姜黃素在光照下光動力生成活性氧?？咕饔脤瘘S色葡萄球菌更為顯著，這可能是由于金黃色葡萄球菌的細胞膜結(jié)構(gòu)與大腸桿菌不同，使得活性氧更容易穿透細胞膜。

△GelMA/姜黃素薄膜在藍光LED照射下的抗菌性能，顯示金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的菌落形成單位減少。圖片來自Charitaki等人，2026。

重新定義光引發(fā)劑在生物制造中的作用

在大多數(shù)多光子系統(tǒng)中，光引發(fā)劑被視為臨時加工添加劑。它們要么在制備完成后被去除，要么以化學惰性形式保留在支架內(nèi)。本研究提出了一種不同的模型。通過使用姜黃素作為引發(fā)劑和生物活性劑，支架無需二次涂層、載藥或表面改性步驟即可獲得抗菌功能。

這項研究仍處于預(yù)印本階段，尚未經(jīng)過同行評審。還需要開展進一步的研究，以評估長期穩(wěn)定性、體內(nèi)性能以及微尺度多光子光刻技術(shù)之外的可擴展性。

光引發(fā)劑化學仍然是雙光子生物制造的瓶頸

隨著雙光子聚合技術(shù)向更廣泛的生物醫(yī)學應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，相關(guān)研究日益聚焦于提升工藝可靠性和可擴展性，包括致力于微加工結(jié)構(gòu)力學測試方法的標準化。與此同時，近期在活細胞內(nèi)實現(xiàn)雙光子聚合的研究凸顯了方法的精確性，但也揭示了對嚴格控制的光化學條件的依賴性。

盡管硬件分辨率和系統(tǒng)吞吐量不斷提高，但材料配方仍然制約著研究進展。光引發(fā)劑必須在非線性吸收效率和細胞相容性之間取得平衡，同時還要避免熱損傷和競爭性光化學反應(yīng)途徑。本預(yù)印本中描述的基于姜黃素的配方通過將光引發(fā)和支架生物活性結(jié)合在單一材料體系中，解決了這一制約因素。