文章主要内容
本综述聚焦水凝胶3D生物打印技术与水凝胶适配性设计(图1)，系统介绍了挤出式、光刻基、喷墨和4D打印等主流3D生物打印技术，阐述了各类技术对水凝胶墨水的性能要求及针对性设计策略，涵盖材料组成、交联机制等核心要素，最后介绍了该技术在组织工程、类器官、柔性机器人和柔性可穿戴电子设备等领域的应用，同时展望了未来发展方向，为水凝胶墨水设计提供理论指导，推动新型墨水材料研发。
图1 水凝胶墨水的适配性设计。最内层展示了4 种常见的3D 打印类型；中间层为不同打印方式对墨水性能的要求；最外层表示墨水材料的设计要素。
文章背景
3D打印(增材制造)依据数字模型逐层沉积材料，相比传统成型技术更具灵活性、材料浪费少，在多个工业领域广泛应用。随着人口老龄化加剧，生物医学领域对可降解、生物活性、机械强度适宜且形状可塑的生物材料需求日益增长，3D生物打印技术为制造患者专用支架提供了可能。水凝胶作为高度水合的三维聚合物网络，能模拟细胞外基质、调节细胞命运，是3D生物打印中最常用的墨水材料。但快速发展的3D打印技术与有限的可打印水凝胶体系之间存在矛盾，限制了生物3D打印的发展，因此新型水凝胶墨水的设计与开发成为研究热点。
文章概述
挤出式生物打印分为传统挤出式、嵌入式、共轴、多材料打印四类，对墨水的物理性能(表面张力、润湿性)、流变性能(剪切稀化特性)、机械性能(弹性、屈服应力)有明确要求；墨水设计要素包括天然聚合物(海藻酸盐、壳聚糖等)、合成聚合物(聚乙二醇、普朗尼克等)、复合聚合物三类材料组成，以及物理交联(离子、氢键等)和共价交联(光交联、酶交联等)两种交联机制。
光刻基打印包含立体光刻、数字光处理(DLP)、体积增材制造(VAM)三类，要求墨水具备适配的反应动力学、黏度、透光率和折射率；墨水设计需关注聚合物改性(天然或合成聚合物引入反应性基团)、光引发剂选择(水溶性、细胞相容性)、光抑制剂/光吸收剂选择等。
喷墨生物打印分为热喷墨、压电喷墨、静电喷墨、微阀生物打印四类，要求墨水黏度低、固化后机械强度高且具备触变性，同时需控制液滴与基底的相互作用；墨水材料常用海藻酸盐、聚乙二醇等，液滴交联可通过物理、化学、酶催化等机制实现，且需控制交联时机以保证结构保真度。
4D打印依赖刺激响应性水凝胶，核心是墨水的刺激响应设计，包括温度响应(PNIPAM、琼脂糖等)、pH响应(聚丙烯酸等)、离子响应(海藻酸盐等)、电场响应、光响应(含光敏颗粒)、磁场响应(含磁性粒子)六类墨水，主要用于光刻基或挤出式打印。
3D生物打印技术的应用涵盖组织工程与再生医学(骨、软骨、脊髓、骨骼肌等组织再生)、类器官构建(疾病建模、药物筛选、癌症研究)、柔性机器人(仿生驱动结构制造)、生物电子(可穿戴设备、生物传感器等)四大领域，展现出多样化的生物医学应用潜力。
尽管现如今，3D打印相关论文数量呈爆炸式增长，3D打印技术在组织工程和再生医学领域发挥着越来越重要的作用，但未来需突破生长因子时空释放、支架血管化等关键问题，同时推动人工智能与3D打印结合、探索太空环境下的打印应用，助力技术向临床转化与多功能拓展。
本文为“高分子水凝胶”专题特约稿，以综述形式发表在《高分子通报》2025年第12期，欢迎关注阅读~
引用本文
王洋, 于畅, 商赢双, 姜波, 韩金轩, 张海博. 高分子量半结晶型含氟聚芳醚的制备及性能表征 . 高分子学报, 2026, 57(1), 180-189.Wang, Y.; Yu, C.; Shang, Y. S.; Jiang, B.; Han, J. X.; Zhang, H. B. The preparation and characterization of high molecular weight semi-crystalline fluorinated polyarylether. Acta Polymerica Sinica (in Chinese), 2026, 57(1), 180-189.
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