多倫多大學(xué)《ACS Nano》多功能 3D 打印水凝膠傷口敷料

來(lái)源：水凝膠

導(dǎo)讀：個(gè)性化的傷口敷料為不同的傷口類(lèi)型提供更好的愈合；然而，具有不同生物活性劑的離散可控遞送的多組分傷口敷料尚待開(kāi)發(fā)。

最近， 多倫多大學(xué) Eugenia Kumacheva 教授 團(tuán)隊(duì) 報(bào)告了 3D 打印的多組分生物復(fù)合水凝膠傷口敷料，這些敷料已選擇性地裝載小分子、金屬納米顆粒和蛋白質(zhì)，用于在傷口部位獨(dú)立控制釋放。 帶有抗菌銀納米顆粒和具有預(yù)定釋放曲線的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的水凝膠傷口敷料用于研究小鼠模型中傷口的生理反應(yīng)。與對(duì)照相比，敷料的應(yīng)用導(dǎo)致肉芽組織形成和血管密度不同水平的改善，這取決于生長(zhǎng)因子的釋放曲線。 該 研究證明了 3D 打印水凝膠敷料的多功能性，可以在體內(nèi)產(chǎn) 生不同的生理反應(yīng)，并可以進(jìn)一步適應(yīng)各種傷口類(lèi)型的個(gè)性化治療。相關(guān)論文以題為 Multifunctional 3D-Printed Wound Dressings 發(fā)表在《 ACS Nano 》上。

圖 1. 3D 打印傷口敷料制作示意圖 。(A) 纖維素納米晶體 (CNC)、殼聚糖甲基丙烯酰胺 (Chit-MA) 和生物活性成分（蛋白質(zhì)、小分子或納米顆粒）的混合。(B) 剪切稀化水凝膠墨水的形成。(C) 使用微流體打印頭擠出水凝膠墨水, 在紫外線照射后在 Tegaderm 背襯層上制造片材。(D) 使用微流體打印頭擠出水凝膠墨水，用于在紫外線照射后在 Tegaderm 背層上進(jìn)行多功能傷口敷料。不同的長(zhǎng)絲顏色（通過(guò)使用食用染料實(shí)現(xiàn)）突出了打印負(fù)載不同活性成分的長(zhǎng)絲的能力。

　　

圖 2. 化學(xué)交聯(lián)水凝膠 (C tot = 40 mg/mL) 物理特性。 具有 (A) R = 0 (40 mg/mL Chit-MA)、(B) R = 0.68、(C) R = 1.0 和 (D) R = 1.7 的水凝膠的代表性 SEM 圖像。(E) R = 0.68、1.0 和 1.7 24 小時(shí)后的水蒸氣透過(guò)率 (WVTR)。(F) R = 0（紫色★）、1.7（灰色■）、1.0（紅色●）和0.68（藍(lán)色▲）的PBS溶液中凍干水凝膠的溶脹。(G) R 為 0.0、0.68、1.0 和 1.7 的水凝膠的壓縮楊氏模量 (E)。

　　

圖 3. PBS 中水凝膠（R = 1.0，C tot = 40 mg/mL）中生物活性劑的釋放。 (A) 銀離子從水凝膠中的釋放曲線（AgNP 濃度為 4.5 毫克/毫升）。(B) 從水凝膠中釋放慶大霉素 (1 毫克/毫升濃度)。(C) 從水凝膠中釋放 BSA（1 毫克/毫升濃度）。

　　

圖 4. 多功能敷料中生物活性劑的釋放。 (A) 帶有四個(gè) BSA 負(fù)載細(xì)絲和兩個(gè) AgNP 負(fù)載細(xì)絲的敷料的示意圖和隨附的釋放曲線。綠色和藍(lán)色分別代表加載 BSA 和 AgNP 的細(xì)絲。(B) 帶有四個(gè) BSA 負(fù)載細(xì)絲和四個(gè) AgNP 負(fù)載細(xì)絲的敷料的示意圖和伴隨的釋放曲線。綠色和藍(lán)色分別代表加載 BSA 和 AgNP 的細(xì)絲。(C) 帶有兩條 VEGF 負(fù)載細(xì)絲和兩條 AgNP 負(fù)載細(xì)絲的敷料的示意圖和伴隨的釋放曲線。紅色和藍(lán)色分別代表 VEGF 和 AgNP 負(fù)載的細(xì)絲。(D) 帶有四個(gè) VEGF 負(fù)載細(xì)絲和兩個(gè) AgNP 負(fù)載細(xì)絲的敷料的示意圖和伴隨的釋放曲線。紅色和藍(lán)色分別代表 VEGF 和 AgNP 負(fù)載的細(xì)絲。所有水凝膠的 R = 1.0 和 C tot =40 mg/mL，水凝膠墨水中 BSA、AgNPs 和 VEGF 的濃度分別為 1 mg/mL、4.5 mg/mL 和 10 μg/mL。

　 　

圖 5. 水凝膠的生物相容性和抗菌性能。 (A) 在 DMEM 中孵育 48 小時(shí)后，3T3 細(xì)胞與不含生物活性劑的水凝膠（空白凝膠）一起孵育或在六孔板中裝載特定生物活性劑的 LIVE/DEAD 測(cè)定圖像�；罴�(xì)胞用鈣黃綠素 AM（綠色）染色，死細(xì)胞用 EthD-1（紅色）染色。虛線描繪了水凝膠的邊緣。(B) 在無(wú)抗菌水凝膠（空白凝膠）、載有 AgNP 的水凝膠和載有慶大霉素的水凝膠存在下培養(yǎng)的金黃色葡萄球菌（頂部）和銅綠假單胞菌（底部）的抑制區(qū) (ZOI) 測(cè)試。(C) 在有和沒(méi)有抗菌劑的水凝膠存在下，為金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌測(cè)量的 ZOI 的平均寬度。

　　

圖 6. 6 天內(nèi)小鼠模型傷口愈合分析。 (A) 第 0、3 和 6 天傷口的代表性圖片，第 3 天更換敷料。(B) 在第 3 天和第 6 天收集的組織學(xué)傷口組織樣本的代表性切片，用蘇木精和伊紅染色。箭頭標(biāo)記傷口邊緣的皮膚邊緣，星號(hào)標(biāo)記傷口床中肉芽組織沉積的區(qū)域。(C) 在第 3 天（紫色）和第 6 天（0 = 正常/無(wú)，1 = 最低，2 = 輕度，3 = 中度，4 = 顯著）通過(guò)組織學(xué)半定量評(píng)估組織炎癥水平（黃色的）。(D) 在第 3 天 (紫色) 和第 6 天 (黃色) 通過(guò)與 (C) 相同規(guī)模的組織學(xué)評(píng)估肉芽組織沉積。(E) 通過(guò)組織學(xué)評(píng)估的組織血管化水平。在第 3 天（紫色）和第 6 天（黃色）通過(guò) CD31 免疫組織化學(xué)染色的連續(xù)切片中，每五個(gè)高放大倍數(shù)（40 倍）視野中隨機(jī)分布的血管分布的平均數(shù)計(jì)數(shù)。

【科研摘要】
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并 3D 打印了多功能網(wǎng)狀水凝膠，以推進(jìn)個(gè)性化傷口治療的傷口敷料應(yīng)用。主體水凝膠由 纖維素納米晶體 和 殼聚糖甲基丙烯酰胺 形成。水凝膠傷口敷料中的獨(dú)特細(xì)絲裝有生物活性劑，如小分子抗生素或銀納米粒子（提供抗菌作用）和蛋白質(zhì)（用于傷口愈合目的）。通過(guò)改變敷料中主體細(xì)絲的數(shù)量來(lái)控制不同藥劑的被動(dòng)釋放曲線。在水凝膠中加入刺激響應(yīng)聚合物主體可以允許在傷口部位主動(dòng)釋放治療劑；然而，沒(méi)有研究這種方法以確保容易制造。此外，敷料的結(jié)構(gòu)可以改變，因?yàn)橥ㄟ^(guò) 3D 打印可以很容易地在網(wǎng)格型敷料中打印直徑為 500 ±100 μm 、網(wǎng)格尺寸為 200 μm 的長(zhǎng)絲。

水凝膠的生物相容性和抗菌特性在體外得到證實(shí)，多功能敷料在體內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，以研究與 Tegaderm 對(duì)照相比，不同敷料成分和釋放方案引起的不同生理反應(yīng)。在用具有不同生物活性劑 VEGF 釋放曲線的水凝膠敷料處理的小鼠模型中， 早在創(chuàng)面后 6 天就觀察到肉芽組織形成和血管形成的不同生理反應(yīng)。與對(duì)照組相比，傷口被水凝膠敷料覆蓋的組的肉芽組織形成有所改善。 此外，根據(jù)所采用的水凝膠的不同設(shè)計(jì)，觀察到傷口部位血管密度的不同水平，水凝膠組的血管密度顯著高于對(duì)照組。

以網(wǎng)狀格式 3D 打印的多功能絲狀敷料能夠控制生物活性劑的被動(dòng)差異釋放，可以針對(duì)所需的應(yīng)用進(jìn)行定制，例如， 采用不同的生長(zhǎng)因子來(lái)促進(jìn)特定傷口類(lèi)型和幾何形狀的愈合。能夠隨著時(shí)間的推移在傷口床上刺激所需數(shù)量的血管化，并能夠根據(jù)持續(xù)治療調(diào)整遞送方案，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化傷口愈合，提供對(duì)個(gè)性化傷口治療方法的深入了解，并最終改善傷口愈合通過(guò)突出3D打印傷口敷料的多功能性和可定制性。 應(yīng)探索更大的體內(nèi)隊(duì)列和不同敷料配方的長(zhǎng)期研究，以確定各種傷口類(lèi)型的最佳愈合能力。隨著傷口愈合領(lǐng)域的研究越來(lái)越多，各種水凝膠主體和活性劑可以結(jié)合 并摻入敷料中，從而滿(mǎn)足特定患者的需求。

參考文獻(xiàn) ：doi.org/10.1021/acsnano.1c04499