基于姜黃素的光引發劑，可用于3D打印生物活性水凝膠支架

2026年2月21日，南極熊獲悉，克里特大學和希臘研究與技術基金會（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”的論文發表在《researchsquare》預印本。研究指出姜黃素發揮雙重作用：它既能實現高分辨率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劑，2PP技術在水凝膠體系中的更廣泛應用受到限制。傳統的引發劑，例如Irgacure2959，在近紅外激發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構保真度。

△GelMA/姜黃素與傳統光引發劑的加工窗口對比，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的非線性能量沉積。

參數化加工研究表明，光引發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，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）結構以及類骨晶格結構。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，支架結構在溶脹后仍保持穩定。

由于TPMS幾何形狀具有連續曲率和高表面積與體積比，能夠改善營養擴散和細胞浸潤，因此在再生醫學中得到廣泛應用。

△掃描電子顯微鏡圖像顯示了 3D 打印的 GelMA/姜黃素晶格結構，包括具有互連孔隙的三重周期最小表面 (TPMS) 幾何結構。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，薄膜還表現出對大腸桿菌的被動防污效果，與使用傳統光引發劑打印的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。抗菌作用對金黃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構與大腸桿菌不同，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。

重新定義光引發劑在生物制造中的作用

在大多數多光子系統中，光引發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。本研究提出了一種不同的模型。通過使用姜黃素作為引發劑和生物活性劑，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。

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

光引發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向更廣泛的生物醫學應用領域發展，相關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構力學測試方法的標準化。與此同時，近期在活細胞內實現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吞吐量不斷提高，但材料配方仍然制約著研究進展。光引發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途徑。本預印本中描述的基于姜黃素的配方通過將光引發和支架生物活性結合在單一材料體系中，解決了這一制約因素。