目录
- 执行摘要：关键发现与2025展望
- 技术基础：什么使醌类生物打印独特？
- 市场规模与2030年前的增长预测
- 领先创新者：推动行业发展的公司与研究机构
- 突破性应用：组织工程、再生医学及其他
- 制造与可扩展性：挑战与解决方案
- 监管环境与标准化工作
- 竞争分析：醌类与替代生物墨水
- 投资趋势与战略合作
- 未来展望：新兴趋势与下一代技术
- 来源与参考文献
执行摘要：关键发现与2025展望
受醌类启发的喷墨生物打印技术正在生物制造领域崭露头角，利用醌类物质独特的氧化还原和交联特性，快速、稳健地形成生物相容性水凝胶。到2025年，该领域已经显现出显著的发展势头，研究和早期商业化努力聚集在一起，以开发组织工程、再生医学和高通量药物筛选的新应用。
- 技术进步： 最近的突破集中于合成含儿茶酚和醌功能化生物墨水，使其在兼容活细胞的温和条件下高效交联。重要的发展包括对酶或氧化触发剂的适应，例如由CELLINK等公司首创的，诱导打印后快速凝胶化，从而改进打印结构的结构保真度，同时保持细胞活力。
- 市场势头： 行业领导者越来越多地在其商业生物墨水组合中整合受醌类启发的化学原理。例如，RegenHU和Allevi（现为3D Systems的一部分）已宣布协作项目和产品线，推出针对喷墨生物打印平台设计的功能化生物墨水，目标应用于软组织工程和个性化医学。
- 合作倡议： 生物制造公司与学术机构之间的跨行业合作加速了针对特定组织类型的醌基配方优化。尤其是，由Thermo Fisher Scientific等组织促进的合作正在支持生物墨水性能在临床前模型中的验证，关注监管路径和临床转化。
- 监管与标准化工作： 随着采用率的增加，监管机构和行业团体正优先制定醌基生物墨水的安全性和性能标准。预计这些活动将在2025年前加剧，正如ASTM International组织的技术研讨会所强调的，旨在统一测试协议并促进市场准入。
展望未来，受醌类启发的喷墨生物打印技术的前景非常乐观。预计在2025年及未来几年，该领域将看到加速的产品推出、扩大的研究合作以及首批利用这些先进生物墨水的临床试点研究。材料创新、生物打印机硬件的增强以及日益清晰的监管将继续使受醌类启发的技术处于下一代生物制造的前沿。
技术基础：什么使醌类生物打印独特？
受醌类启发的喷墨生物打印技术代表了生物仿生化学与精密工程的前沿结合。其核心，这些系统利用醌类的独特氧化还原和交联特性——这些有机化合物在自然界广泛存在，特别是在海洋贻贝的粘附蛋白中——以实现快速、可控且稳健的组织制造。到2025年，几个关键技术基础将醌类系统与传统生物墨水和喷墨方法区分开来。
首先，醌类的分子结构允许与生物聚合物中存在的各种亲核基团（例如，胺类、硫醇）的动态共价键合。这种受贻贝足蛋白自然粘附机制启发的化学，在生理条件下提供了优越的湿润黏附和快速凝胶化能力，这对于保持生物打印组织的活力和结构至关重要。相比之下，传统的喷墨生物打印通常依赖较慢且不易调节的交联机制，导致在分辨率和构建稳定性方面的限制。
其次，基于醌类的生物墨水允许可编程的机械性能和降解特性。通过调整醌类基团的浓度和类型，研究人员可以精细调整打印构件的刚度和降解速率，使其适应于特定的组织工程应用，如软骨、皮肤或血管组织。像CELLINK和Organovo这样的公司在其持续的产品开发中强调了这种适应性的必要性，强调了先进生物材料在下一代生物打印平台中的作用。
另一个显著的因素是醌类生物墨水与商业喷墨打印硬件的兼容性。最近的演示表明，这些生物墨水可以被配制以匹配现有压电和热喷墨打印机的粘度、表面张力和喷嘴要求，这对可扩展性和工业使用具有重要优势。这种兼容性使在微米级精度下进行精确的多材料沉积成为可能，这对于重建复杂的组织结构至关重要。例如，RegenHU报道了可以利用功能化生物墨水（包括那些含有儿茶酚或醌基团的墨水）进行高通量组织工程的多材料喷墨生物打印系统的进展。
展望未来，我们可能会看到在外部刺激（例如光、电脉冲）下实时控制交联的集成，以及受醌类启发的化学向新类型生物活性分子的扩展。预计行业领先者和研究联盟也将推动监管和制造标准的制定，为临床转化铺路。随着技术的成熟，生物仿生粘附性、可调性以及硬件兼容性的独特组合，将使受醌类启发的喷墨生物打印成为再生医学和个性化治疗的变革平台。
市场规模与2030年前的增长预测
受醌类启发的喷墨生物打印技术作为广泛的生物打印和生物制造市场中的一个变革性细分领域正在快速崛起，它们能够为组织工程和再生医学提供高分辨率、细胞友好且稳健的支架解决方案。截至2025年，全球生物打印市场——其中醌基方法代表着一个新颖且不断扩大的利基市场——正经历强劲增长，得益于生物墨水化学、打印精度和应用多样性的持续进步。
受醌类启发的化学的采用，特别是那些利用从贻贝粘附蛋白中获得灵感的儿茶酚和多巴胺类似物，正在被领先的生物打印技术公司和以研究为驱动的初创企业积极探索和商业化。这些专有化学具有增强的交联能力、改善的生物相容性和可调的机械性能，这些对于制造复杂、功能性组织至关重要。值得注意的是，像CELLINK和RegenHU这样的公司已经开始整合并营销与这些新型交联机制兼容的先进生物墨水和喷墨平台。
行业数据表明，全球生物打印市场预计在2030年前将超过35亿美元，自2025年起年复合增长率（CAGR）超过15%。预测醌类喷墨技术将在该市场中占据越来越大的份额，尤其是在患者特定组织模型、定制植入物和药物测试平台等高价值细分市场。醌功能化墨水的引入也预计将通过提高打印组织的保真度和功能性来加速生物打印产品的商业化，这是监管批准和临床采用的关键要求。
从2025年起的未来几年，主要参与者预计将扩大其产品组合，包括更广泛的醌类材料和喷墨兼容系统。例如，CELLINK已公开宣布其专注于下一代生物墨水的持续研发工作，而RegenHU则继续与学术和工业集团合作，共同开发先进的生物材料配方。这一活动得到了ASTM International增材制造卓越中心等合作倡议的支持，旨在为新兴生物墨水开发标准，并确保跨平台的互操作性。
展望2030，受醌类启发的喷墨生物打印市场前景非常乐观。随着对材料科学、打印机硬件和监管路径的持续投资，该领域准备在研究、临床前和最终临床市场上实现显著扩展。在接下来的五年中，预计将从早期的研发向大规模生产和商业部署过渡，使基于醌类的喷墨生物打印成为再生医学不断发展的关键技术。
领先创新者：推动行业发展的公司与研究机构
受醌类启发的喷墨生物打印技术处于生物制造的最前沿，利用醌化学的粘附和交联特性——主要受自然酚类化合物的启发，例如贻贝粘附蛋白。随着该领域的发展，少数公司和研究机构正在推动进展，并为2025年及以后的创新设定节奏。
主要的工业领导者之一是CELLINK，隶属于BICO，该公司积极地在其生物墨水组合中集成醌基化学。2024年，CELLINK推出了一系列新生物墨水，结合了儿茶酚和醌基团，旨在提高粘附性和快速交联，与其高精度喷墨生物打印机兼容。这些发展针对组织工程和再生医学，解决了打印过程中的细胞存活率和构件稳定性的问题。
在研究领域，麻省理工学院（MIT）在推进受醌类启发的生物打印科学基础方面发挥了关键作用。MIT的赵宣赫教授实验室自2022年以来发表了多项研究，展示了使用多巴胺-醌化学创建稳健、生物相容的水凝胶的能力，这些水凝胶具有快速固化时间和可调机械性能，非常适合神经和肌肉骨骼组织工程的应用。
在欧洲，弗劳恩霍夫协会——特别是弗劳恩霍夫界面工程与生物技术研究所（IGB）——开发了针对醌功能化聚合物的喷墨打印专有技术平台。他们最近与医疗器械制造商的合作旨在将实验室级创新转化为生物活性伤口敷料和植入物涂层的可扩展工艺，预计在2025年末进行临床试点研究。
与此同时，新加坡国立大学（NUS）建立了生物启发材料的卓越研究中心，其生物医学工程系的团队正在优化可喷墨打印的贻贝灵感的醌粘合剂。他们的研究集中在提高打印精度和生物相容性以用于软组织修复，并已申请数项专利，预计将在不久的将来商业化。
展望未来，主要行业参与者和学术团体预计将加大合作力度，专注于监管审批路径和大规模制造。预计到2027年，行业将迎来首批获得临床批准的基于醌的打印构件，推动这些领先机构和公司的持续创新。
突破性应用：组织工程、再生医学及其他
受醌类启发的喷墨生物打印技术正在迅速推进组织工程和再生医学的前沿，利用醌基化学的独特粘附和交联能力。截至2025年，这项技术已从概念证明演示转向早期应用，得益于领先的生物墨水开发商、生物打印机制造商和临床研究机构之间的合作。
最有前景的突破之一是使用含儿茶酚或醌功能化生物墨水制造血管化组织。这些生物墨水受到贻贝粘附蛋白的启发，能够在生理条件下实现强健的细胞包封和层间附着，解决了早期生物打印方法的一个关键限制。例如，像CELLINK和RegenHU这样的公司与学术医疗中心合作，优化其基于醌的生物墨水，以进行高分辨率的喷墨生物打印，专注于组装对于类器官和组织贴片至关重要的可灌注网络。
最近的临床前研究——由Bioficial Organs的生物打印平台支持——表明，醌交联的水凝胶可以显著提升打印软骨和软组织构件的机械完整性和生物整合性。在这些试验中，打印构件表现出改进的细胞活性和加速的基质沉积，表明在未来几年内个性化重建治疗的强大潜力。
除了软组织，醌化学的多功能性也被应用于生物打印硬组织和混合接口。来自Aspect Biosystems的创新者正在探索多材料打印技术，结合能够与矿化生物墨水平行驻留的醌交联矩阵，目的是制造具有适合骨科修复的分级机械性能的软骨-骨移植物。
受醌类启发的喷墨生物打印的前景进一步得到监管参与和标准化工作支持。组织如ASTM International正在与行业领导者合作起草新型生物墨水的特性和安全评估准则，这是临床转化的重要一步。同时，开放架构的生物打印机（如Advanced Solutions Life Sciences的产品）预计将通过允许研究人员自定义喷头和工艺参数，以加速迭代开发。
在不久的将来，专家预计将首次进行基于醌的生物打印皮肤和软骨移植物的临床试验，可能扩展到更复杂的功能性组织构件。先进生物墨水设计、高精度喷墨传递和监管动力的结合，使受醌类启发的生物打印技术成为再生医学及更广泛领域的变革平台。
制造与可扩展性：挑战与解决方案
受醌类启发的喷墨生物打印技术因其独特的氧化还原化学而获得了显著关注，为制造生物功能材料提供了有希望的方法，具有可调节的交联和增强的生物活性。然而，到2025年，实现制造可扩展性面临若干挑战，包括材料处理、打印头兼容性以及在高通量生产中保持生物功能性的困难。
首要的挑战在于配制醌基生物墨水，以平衡可打印性与稳定性。醌类物质反应性强，必须严格控制其氧化状态，以避免在储液器或打印头内过早交联。领先的生物打印机制造商如CELLINK正在积极开发先进的打印头技术和封闭系统的墨盒，以保持敏感墨水的氧化还原状态，减少在长时间打印过程中发生堵塞和降解的风险。
扩大生产还需要强有力的过程标准化。截至2025年，RegenHU等公司正在与材料供应商合作，定义醌功能化聚合物的质量指标，确保批次之间的可重复性。这些努力对于在组织工程等受监管领域的采用至关重要，在这些领域，追踪性和可重复性至关重要。
另一个重要的障碍是多材料和多细胞构件的集成，这需要醌衍生生物墨水和传统生物墨水的同步沉积。最近在打印头多路复用方面的进展（例如由Stratasys提供的）使同时打印不同墨水而不妨碍空间分辨率成为可能。然而，为工业生产扩大这些系统的应用，同时保持细胞活性和墨水反应性，仍然在持续进行中。
未来可期的解决方案包括开发模块化、自动化的生物打印平台，能够实时监测墨水特性。像Organovo这样的公司正在投资集成质量控制系统，使用光电和电化学传感器跟踪醌的氧化还原状态和交联动力学。这些创新预计将减少批次故障，并支持连续制造模型。
展望未来，优化的生物墨水配方、智能打印头工程和数字工艺控制的结合，预计将解锁可扩展的受醌类启发的生物打印。随着行业标准逐渐成熟和自动化程度提高，未来几年预计将迎来这些技术从试点规模演示到生物医学设备和工程组织的商业制造。
监管环境与标准化工作
受醌类启发的喷墨生物打印技术的监管环境正在快速演变，因为这些系统正在从研究实验室向临床和工业应用转变。由于醌基化学提供了新型的交联方法、增强的生物相容性和动态材料特性，监管机构目前正着手解决与这些先进生物打印方式相关的机遇与风险。
到2025年，美国食品和药物管理局（FDA）继续领导制定3D生物打印医疗产品的指南工作，包括那些使用醌功能化生物墨水的产品。FDA的医疗器械和放射健康中心（CDRH）扩展了其“3D医疗器械在护理点的打印”框架，预计新草案指南将专门针对生物墨水成分和交联机制，如醌介导的系统。这些指南预计将明确安全性、有效性和市场后监测的要求，强调批次一致性和打印构件中醌功能基团的稳定性。
在欧洲，欧洲委员会卫生与食品安全总司与国家主管机关正在与行业和学术界合作，以在医疗器械法规（MDR, 2017/745）下协调标准。欧洲标准化委员会（CEN）目前正在为生物打印过程工作技术规范，包括针对醌类等反应性化学物质的材料表征和灭菌协议。这些努力旨在为生物打印组织构件的临床转化和市场授权创建标准化的路径。
行业联盟如英国增材制造（AMUK）和ASTM国际增材制造技术委员会F42已建立专门针对生物打印材料和过程验证的工作组。到2025年，这些小组将优先制定醌启发喷墨配方的质量保证共识标准，关注纯度、反应性控制和体外/体内性能评估。
展望未来，预计监管机构将与制造商和学术创新者加强互动，以建立实时数据共享平台和自适应监管路径。未来几年可能会出现针对基于醌的生物打印构件的新风险评估工具，以及用于生物打印（从醌基墨水）构件的数字追踪系统。这些举措旨在简化批准过程，并促进醌类生物打印技术在医疗和工业领域的安全、可扩展采用。
竞争分析：醌类与替代生物墨水
受醌类启发的喷墨生物打印技术在2025年作为制造具有增强粘附性和可调性的细胞堆叠结构的有前途的方法正在逐渐获得关注。醌类基团独特的化学多样性——模仿海洋生物中的自然交联策略——使其在与传统生物墨水如海藻酸盐、明胶美克酰（GelMA）和合成聚合物的竞争中占据了强有力的地位。本节将比较醌基生物墨水与这些传统替代品在可打印性、机械性能、生物兼容性和商业采用方面的表现。
与广泛使用的海藻酸盐生物墨水相比，后者需要离子交联并常常在细胞粘附方面受限，受醌类启发的配方提供了更好的打印后稳定性和可调刚度。醌类化学中固有的共价键合机制使得在温和条件下快速凝胶化，支持更高分辨率的构件并降低细胞毒性。例如，CELLINK——一家主要的生物打印解决方案提供商——提供一系列传统和混合生物墨水，但正在积极探索反映醌类方法优势的先进交联化学。
尽管GelMA因其生物活性和易于修改而仍然是组织工程的黄金标准，但其依赖于光引发交联，这在某些情况下可能限制细胞的存活。相比之下，醌基墨水可以在不需要潜在有害的紫外线照射的情况下达到相似或更好的机械性能。像RegenHU和Aspect Biosystems这样的公司正在研究结合自然粘附基团的下一代生物墨水，以改善整合性，符合醌类启发的范式。
从商业角度看，受醌类启发的系统主要挑战在于可扩展性和监管批准，因为它们相对较新。然而，生物墨水开发商与打印机制造商之间的早期合作（例如，与Stratasys及其学术衍生企业的合作）正在加速验证工作。值得注意的是，醌类化学对多种细胞类型和组织模型的适应性引起了研究和临床前应用的关注。
展望2025年及以后的竞争态势，预计竞争会加剧，因为生物打印公司正在寻求具有更好细胞兼容性、机械强度和打印保真度的生物墨水。随着基于醌的配方在这些领域的优势继续显现，预计会有更广泛的采用，特别是在血管化组织、皮肤模型和先进类器官的制造中。接下来的几年很可能会看到醌化学更多地整合到商业墨水组合中并在转化研究中得到更广泛的接受。
投资趋势与战略合作
随着全球对先进组织工程和再生医学的需求加速，受醌类启发的喷墨生物打印技术已成为投资和合作的聚焦点。自2024年以来，融资轮次和战略合作中的显著增长强调了该领域的快速成熟和商业潜力。
领先的生物打印设备制造商和特种材料公司加大了对醌类启发的交联化学的关注，这种化学因其可调反应性、生物相容性和支持高分辨率图案的能力而备受青睐。在2025年初，CELLINK宣布与一家欧洲生物材料供应商达成多年的合作，以开发专有的醌基生物墨水，旨在商业化与其旗舰喷墨平台兼容的即用型配方。这一举措遵循了CELLINK更广泛的战略计划，旨在多样化其生物墨水组合，并满足市场对快速、按需组织构件的需求。
与此同时，Organovo Holdings, Inc.在2025年标志着对醌活化水凝胶的可扩展制造方法的更新研发投资。该公司更新的投资者沟通中强调了与学术医疗中心的合作，旨在验证新的喷墨打印协议用于血管化组织模型，利用醌化学以增强细胞活性和机械韧性。
在上游，特种化学生产商如Merck KGaA（在美国和加拿大以MilliporeSigma运营）正在扩展其高级生物材料部门。在2025年第一季度，Merck KGaA宣布了一项计划，提供用于生物打印应用的高纯度儿茶酚和醌衍生物，强调与设备制造商的合作开发协议，以确保监管合规和供应链韧性。
此外，行业联盟正在兴起，以制定质量标准并加速临床转化。生物技术创新组织（BIO）于2025年启动了关于生物打印医疗产品的工作组，专门针对醌基墨水的监管和安全方面进行研究。这些行业范围内的倡议预计将简化临床前路径，并为初创企业和成熟企业降低投资风险。
展望未来，风险投资兴趣、供应商与制造商之间的合作伙伴关系，以及行业标准化工作的融合使受醌类启发的喷墨生物打印有望实现显著增长。市场分析师预计到2027年，利用这些化学的产品将开始进入临床试点研究，标志着实验室创新向现实治疗应用的转变。
未来展望：新兴趋势与下一代技术
受醌类启发的喷墨生物打印技术在2025年及以后的几年内预计将迎来重大进展，推进生物墨水化学、打印硬件精度和功能性组织工程的创新。受自然系统（如贻贝粘附）启发的醌基分子的独特粘附和交联特性，继续被利用用于开发稳健、生物相容且可调的生物墨水，适合高分辨率的喷墨生物打印。
关键行业参与者正在扩大其研发工作，以商业化下一代受醌类启发的生物墨水。例如，CELLINK正在积极扩展其生物墨水和打印机平台的组合，专注于整合儿茶酚和其他醌功能，以提高细胞活力、打印保真度和打印后的组织成熟度。他们与学术和制药合作伙伴的近期合作旨在将这些材料从实验室原型转化为临床相关的组织模型和可植入构件。
硬件创新也在加速进行。像HP Inc.和Stratasys Ltd.这样的公司正在探索其高精度喷墨平台在与化学复杂、反应性生物墨水一起使用时的适应。这包括用于实时监测滴水形成和基质相互作用的闭环反馈系统，这对于控制醌含墨水的聚合反应和打印组织结构的可重复性至关重要。机器学习算法与打印机控制系统的结合预计将进一步优化这些先进材料的打印参数。
展望未来，集成智能、刺激响应型醌基生物墨水正成为一大趋势。一些研究小组与领先的生物打印公司合作，正在开发能够根据环境信号（如pH、光或酶活性）动态调节其机械或生物化学特性的墨水，实现打印组织的按需成熟或创建更生理相关的疾病模型。3D Systems正在支持这一方向的早期倡议，力求将这些可编程生物墨水引入转化应用。
监管和标准化工作也在进展中，行业机构如国际标准化组织（ISO）正在努力为醌基生物打印材料和工艺建立性能基准和安全协议。这些框架对打印组织的临床采用以及促进跨行业的合作至关重要。
总体而言，未来几年预计受醌类启发的喷墨生物打印技术将从概念验证研究向再生医学、个性化药物测试和功能性组织生物制造的稳健、可扩展解决方案转变，巩固其在生物工程创新前沿的地位。
来源与参考文献
- CELLINK
- Allevi
- Thermo Fisher Scientific
- ASTM International
- CELLINK
- Organovo
- 麻省理工学院（MIT）
- 弗劳恩霍夫协会
- 新加坡国立大学（NUS）
- Aspect Biosystems
- Advanced Solutions Life Sciences
- Stratasys
- 欧洲委员会卫生与食品安全总司
- 欧洲标准化委员会（CEN）
- 生物技术创新组织
- 3D Systems
- 国际标准化组织（ISO）
