关键词：仿生共组装；3D 生物打印水凝胶；Fmoc 短肽；海藻酸纤维素纳米纤维；抗菌生物活性支架

Bioinspired CoAssembly Enables Multiscale Architected Hydrogels for 3D Printing With Integrated Antibacterial and Bioactive Functions

First published: 13 August 2026

https://doi.org/10.1002/adfm.77631

引言

仿生组装水凝胶是构建功能生物材料的重要研究方向，能够模拟天然组织复杂的结构与生物学功能。但如何将分子水平的自组装行为转化为力学性能优异、结构可控可打印的宏观水凝胶，仍然是领域内一大难题。传统 3D 打印水凝胶常常存在生物活性与抗菌性能难以兼顾、打印成型后结构容易坍塌、力学恢复能力不足等短板。 本文构建多组分肽基共组装体系，将细胞粘附多肽、抗菌氟化短肽与海藻酸、纤维素纳米纤维复合，开发兼具可打印性、生物活性、抗菌能力的多级结构化水凝胶生物墨水，为先进生物制造提供全新的材料策略。

结果与讨论

2.1 功能短肽分子设计

研究设计两种 Fmoc 修饰短肽分子。FmocK (Fmoc)RGD 为细胞粘附多肽，双 Fmoc 基团提供分子间 ππ 堆积作用，RGD 序列赋予材料细胞识别粘附活性；FmocF₅Phe 氟化多肽，依靠五氟苯基团的疏水作用与氟效应，实现高效广谱抗菌效果。两种多肽作为超分子构筑基元，依靠非共价相互作用驱动自组装。

2.2 高分子基体组分选择

选用海藻酸（Alg）与纤维素纳米纤维（CNF）作为复合基体。海藻酸具备优良流变特性，是经典生物打印基质；纤维素纳米纤维提供物理网络增强，提升水凝胶的抗形变能力与挤出后形状保持能力，二者协同改善打印墨水的加工性能。

2.3 多组分共组装水凝胶构建

将两种 Fmoc 功能短肽与 Alg、CNF 进行共混，通过分子间氢键、ππ 堆积、疏水相互作用实现共组装，形成多级交联复合水凝胶。多肽自组装形成纳米原纤维网络，和高分子基体相互交织，搭建起跨尺度的层级结构。

2.4 流变与 3D 打印成型性能

该复合水凝胶具备显著剪切变稀行为，挤出时粘度下降顺利完成打印；挤出后可快速恢复力学性能，打印出高丝 fidelity 的立体结构，成型后可直接获得涂层样品、3D 打印网格支架，还可进一步冻干得到多孔海绵支架，实现多种形态制备。

2.5 生物功能评价

生物学验证表明该水凝胶拥有良好细胞相容性；同时具备浓度依赖的抗菌效果，可以有效抑制大肠杆菌增殖。在同一套材料体系中同时实现细胞粘附生物活性与抗菌功能，解决传统水凝胶单一功能的局限。

结论

该工作基于 Fmoc 短肽的仿生共组装策略，结合海藻酸纤维素纳米纤维基体，制备多组分超分子复合水凝胶。材料拥有优异剪切变稀、快速力学恢复性能，适配挤出式 3D 生物打印；同时集成细胞粘附生物活性与抗菌能力。 该研究打通分子超分子组装到宏观生物制造，为多功能杂化生物材料、组织工程支架、创面修复材料开发提供新的思路与实验框架。

实验方法

1. 多肽与高分子原料配制：配置 FmocK (Fmoc)RGD 细胞粘附多肽、FmocF₅Phe 抗菌氟化多肽储备液；制备海藻酸 Alg、纤维素纳米纤维 CNF 高分子分散液。

2. 共组装水凝胶制备：将两种多肽溶液与 Alg、CNF 分散液按照比例混合，依靠非共价相互作用原位共组装，得到复合水凝胶。

3. 流变学表征：测试剪切变稀行为、模量恢复性能，评估作为 3D 打印墨水的流变条件。

4. 3D 打印加工：挤出式生物打印机进行三维结构打印，分别制备涂层、网格支架；部分样品进行冷冻干燥处理，得到多孔冻干支架。

5. 体外生物学测试：开展细胞相容性实验，评估材料对细胞存活粘附的影响；针对大肠杆菌开展抑菌实验，评价材料抗菌活性。

6. 结构表征：解析多肽自组装纳米纤维微观结构，分析微观组装结构与宏观力学、打印性能之间构效关系。