基于姜黄素的光引发剂，可用于3D打印生物活性水凝胶支架

2026年2月21日，南极熊获悉，克里特大学和希腊研究与技术基金会（FORTH/IESL）的研究人员报告了一种利用姜黄素作为多功能光引发剂，通过双光子聚合（2PP）一步法制备生物活性3D水凝胶支架的策略。

这项研究以题为“One-Step Fabrication andBiofunctionalization of 3D GelMA-based Scaffolds through GelMA-CurcuminCo-Initiated Two-Photon Polymerization”的论文发表在《researchsquare》预印本。研究指出姜黄素发挥双重作用：它既能实现高分辨率3D打印，又能在制备过程中赋予材料抗菌性能，从而无需后续的修饰处理。

论文链接：https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-8658051/v1

双光子聚合（2PP）广泛应用于组织工程中的微尺度支架制备。然而，由于缺乏兼具高非线性吸收效率和细胞相容性的光引发剂，2PP技术在水凝胶体系中的更广泛应用受到限制。传统的引发剂，例如Irgacure2959，在近红外激发下双光子吸收截面较低，需要更高的激光强度，这会增加热损伤的风险并降低结构保真度。

△GelMA/姜黄素与传统光引发剂的加工窗口对比，展示了不同激光强度和扫描速度下的成功制备区域。图片来自 Charitaki 等人，2026

GelMA-姜黄素相互作用增强非线性吸收

在已报道的研究中，姜黄素（一种源自姜黄的天然多酚）被添加到10% (w/v) 的GelMA配方中。开孔Z扫描测量结果表明，GelMA/姜黄素混合物的双光子吸收截面约为1500 GM，而单独的姜黄素的双光子吸收截面约为320 GM。

研究人员将这种增强效果归因于姜黄素与GelMA骨架中疏水性氨基酸残基之间的相互作用。这些相互作用促进了局部聚集和更强的电子耦合，从而增加了打印过程中焦点体素内的非线性能量沉积。

参数化加工研究表明，光引发剂配方具有较宽的加工窗口。GelMA/姜黄素配方可在低至0.15 TW/cm²的激光强度下支持聚合反应，扫描速度最高可达52 mm/s。相比之下，含有Irgacure 2959、曙红Y或玫瑰红的GelMA配方加工窗口较窄，且在某些情况下，在高强度激光照射下会出现热损伤。

打印复杂的TPMS和类骨晶格

研究团队利用多光子光刻技术制备了方形晶格、螺旋面和施瓦茨金刚石三重周期极小曲面（TPMS）结构以及类骨晶格结构。扫描电子显微镜证实，孔径大小从几微米到超过150微米不等，具体尺寸取决于几何形状。水合样品的光学显微镜观察表明，支架结构在溶胀后仍保持稳定。

由于TPMS几何形状具有连续曲率和高表面积与体积比，能够改善营养扩散和细胞浸润，因此在再生医学中得到广泛应用。

△扫描电子显微镜图像显示了 3D 打印的 GelMA/姜黄素晶格结构，包括具有互连孔隙的三重周期最小表面 (TPMS) 几何结构。图片来自 Charitaki 等人，2026。

干细胞相容性和双重抗菌功能

采用间充质干细胞（MSCs）评估了生物相容性。虽然代谢活性在第一天略有下降，但到第三天细胞活力恢复至对照水平。扫描电镜成像证实了细胞在支架孔隙内的黏附、增殖和浸润。

除了可打印性和细胞相容性之外，研究还报道了固有的抗菌性能。在蓝光LED照射（~450 nm）下，GelMA/姜黄素薄膜对金黄色葡萄球菌的抑制率约为99.9%，对大肠杆菌的菌落形成单位抑制率超过90%。此外，薄膜还表现出对大肠杆菌的被动防污效果，与使用传统光引发剂打印的GelMA薄膜相比，初始细菌黏附量有所降低。

抗菌作用归因于姜黄素在光照下光动力生成活性氧。抗菌作用对金黄色葡萄球菌更为显著，这可能是由于金黄色葡萄球菌的细胞膜结构与大肠杆菌不同，使得活性氧更容易穿透细胞膜。

△GelMA/姜黄素薄膜在蓝光LED照射下的抗菌性能，显示金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的菌落形成单位减少。图片来自Charitaki等人，2026。

重新定义光引发剂在生物制造中的作用

在大多数多光子系统中，光引发剂被视为临时加工添加剂。它们要么在制备完成后被去除，要么以化学惰性形式保留在支架内。本研究提出了一种不同的模型。通过使用姜黄素作为引发剂和生物活性剂，支架无需二次涂层、载药或表面改性步骤即可获得抗菌功能。

这项研究仍处于预印本阶段，尚未经过同行评审。还需要开展进一步的研究，以评估长期稳定性、体内性能以及微尺度多光子光刻技术之外的可扩展性。

光引发剂化学仍然是双光子生物制造的瓶颈

随着双光子聚合技术向更广泛的生物医学应用领域发展，相关研究日益聚焦于提升工艺可靠性和可扩展性，包括致力于微加工结构力学测试方法的标准化。与此同时，近期在活细胞内实现双光子聚合的研究凸显了方法的精确性，但也揭示了对严格控制的光化学条件的依赖性。

尽管硬件分辨率和系统吞吐量不断提高，但材料配方仍然制约着研究进展。光引发剂必须在非线性吸收效率和细胞相容性之间取得平衡，同时还要避免热损伤和竞争性光化学反应途径。本预印本中描述的基于姜黄素的配方通过将光引发和支架生物活性结合在单一材料体系中，解决了这一制约因素。