南京大學(xué)趙遠錦課題組：原位3D打印光合產(chǎn)氧活體支架加速慢性創(chuàng)面愈合

來源：Research科學(xué)研究

南京大學(xué)鼓樓醫(yī)院趙遠錦教授課題組受自然界中海藻與蠑螈共生關(guān)系啟發(fā)，將具有光合作用活性的微藻引入到水凝膠支架體系，并通過微流控聯(lián)合3D打印的策略實現(xiàn)微藻支架材料在皮膚創(chuàng)口部位的原位打印。這種活體支架具有光控產(chǎn)氧的特性，可為缺氧性創(chuàng)面持續(xù)供應(yīng)氧氣，促進血管再生，進而顯著提高慢性創(chuàng)面的愈合速度和質(zhì)量。相關(guān)研究內(nèi)容以題為“In Situ 3D Bioprinting Living Photosynthetic Scaffolds for Autotrophic Wound Healing” 發(fā)表在Research上。

Citation: Xiaocheng Wang, Chaoyu Yang, Yunru Yu, Yuanjin Zhao, "In Situ 3D Bioprinting Living Photosynthetic Scaffolds for Autotrophic Wound Healing", Research, vol. 2022, Article ID 9794745, 11 pages, 2022.

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.34133/2022/9794745

研究背景

創(chuàng)面頻繁地發(fā)生于日常生活和外科手術(shù)等，創(chuàng)面修復(fù)是全世界醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域一個備受關(guān)注的問題。組織工程支架材料已經(jīng)被廣泛用于各種傷面的修復(fù)，特別是大面積傷口、深度傷口和慢性創(chuàng)面。然而，目前通常很難制造具有任意形狀和尺寸的支架，以匹配實際應(yīng)用過程中不同深度和形狀的傷口。此外，支架內(nèi)部的營養(yǎng)輸送和氧氣供應(yīng)不足，特別是在較大尺寸支架的中心區(qū)域，極易導(dǎo)致影響整體修復(fù)效果不佳。盡管通過將無機過氧化物、液體過氧化物或碳氟化合物摻入支架中，可用于緩解全身缺氧、促進血管生成和膠原蛋白沉積，加速傷口愈合。但是，這些系統(tǒng)通常只能在短時間內(nèi)供應(yīng)氧氣，難以維持整個創(chuàng)面愈合過程所需的氧氣供應(yīng)。因此，具有形狀靈活可控和持續(xù)供氧特性的新型支架材料有待進一步研究。

作為一種自養(yǎng)型原始微生物，光合微藻在光照條件下能進行光合作用，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為氧氣和營養(yǎng)物。鑒于其自發(fā)產(chǎn)氧特性，以及富含生物活性成分和優(yōu)異的生物相容性，目前已被納入多種功能型復(fù)合材料體系，并成功應(yīng)用于腫瘤治療和組織再生等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。此外，原位3D生物打印技術(shù)能夠在體內(nèi)組織缺損部位直接打印出生物活性支架，便于填充不規(guī)則形狀的缺口，實現(xiàn)與周邊的組織更好的橋接和整合。因此，該研究將微流控紡絲技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，提出在創(chuàng)口部位原位打印光合微藻支架材料的策略，既能實時匹配任意形狀和深度的組織缺損，又能持續(xù)為缺氧性創(chuàng)面提供氧氣，從而加快慢性創(chuàng)面的愈合進程。

研究進展

在這個體系中，研究團隊首先利用共軸組裝的毛細管微流控裝置制備出一維含微藻的水凝膠纖維材料，隨后將微流控裝置整合到傳統(tǒng)擠出式3D打印平臺，通過3D打印的方式對一維纖維進行有序排列和三維堆砌，實現(xiàn)微藻活體水凝膠支架的原位打印 (圖1)。

圖1  原位3D打印制備光合產(chǎn)氧活體支架及其用于創(chuàng)面修復(fù)示意圖

由于光合微藻的嵌入，該活體支架在光照下可以持續(xù)產(chǎn)生氧氣，從而改善缺氧狀態(tài)下細胞的增殖、遷移和分化等生理活性。此外，通過這一微流控聯(lián)合3D打印的策略，能夠?qū)崿F(xiàn)微藻支架材料在創(chuàng)口部位的原位打印，利用微藻細胞的光合釋放特性，可以有效緩解創(chuàng)面部位的局部缺氧狀態(tài)，促進新生血管的再生和細胞基質(zhì)的合成，進而顯著加速創(chuàng)面愈合的進程。

由于微藻可在支架內(nèi)部不斷增殖，并通過光合作用持續(xù)產(chǎn)生氧氣，賦予支架光照可控的自發(fā)釋氧特性（圖2）。其中圖2（a，b）為通過原位3D打印策略制備的支架內(nèi)部的微藻保持良好的增殖活性，比例尺為150 μm；圖2（c，d）展示了在室溫和生理溫度下，支架都具備光合產(chǎn)氧的特性；圖2（e）展示了通過光照可以控制微藻支架的氧氣釋放。

圖2 微藻支架的光合產(chǎn)氧能力

當(dāng)微藻支架與細胞共同培養(yǎng)時，支架本身具有很好的細胞相容性，微藻和細胞能夠維持長時間的共生關(guān)系。更重要的是，支架內(nèi)部的微藻在光照條件下還能不斷釋放出氧氣，從而有效緩解低氧環(huán)境中的細胞的乏氧狀態(tài)，使得細胞維持良好的增殖、遷移和分化等生理活性（圖3）。其中，圖3（a）是微藻支架通過光合作用釋放氧氣改善體外細胞乏氧環(huán)境示意圖；圖3（b）為采用缺氧探針驗證支架具有釋放氧氣、緩解缺氧環(huán)境的作用；在缺氧條件下，微藻支架可以通過釋放氧氣，加速低氧環(huán)境下內(nèi)皮細胞的增殖（圖3（c，d））、遷移（圖3（e-h））和小管結(jié)構(gòu)形成（圖3（i，j）），所有比例尺均為200 μm。

圖3 微藻支架改善體外細胞的缺氧微環(huán)境

進一步地，該團隊使用典型的糖尿病慢性傷口模型對微藻支架緩解體內(nèi)缺氧和促進愈合的能力進行評估（圖4）。他們將純水凝膠支架和含微藻支架直接原位打印在糖尿病小鼠的創(chuàng)口部位（圖4（a）），并結(jié)合光照進行創(chuàng)面治療。通過持續(xù)15天的觀察發(fā)現(xiàn)（圖4（b、c），比例尺為5 mm），與不含微藻的支架組相比，微藻支架能起到顯著加速創(chuàng)口愈合速度的效果。值得注意的是，光照和不光照情況下的微藻支架組之間沒有顯著性差異，這表明微藻活體支架本身具有較好的組織再生活性，即使在沒有光照的情況下也能起到促進傷口愈合的作用。隨后對新生皮膚進行組織學(xué)分析發(fā)現(xiàn)（圖4（d，e），比例尺為300 μm），微藻支架組的創(chuàng)口部位形成更為完整和有序的新生皮膚組織，與對照組和不含微藻的支架組中觀察到的不完整表皮形成鮮明對比。同時，光照狀態(tài)下的微藻支架對改善創(chuàng)口部位的乏氧狀態(tài)、加速血管新生和膠原沉積具有更好的效果。由此可見，該光合活微藻支架有望作為一種新型組織工程支架材料，廣泛應(yīng)用于多種組織缺損修復(fù)的應(yīng)用。

圖4  原位打印微藻支架用于慢性傷口愈合

未來展望

趙遠錦教授團隊利用微流控聯(lián)合3D打印的策略，實現(xiàn)光合活體支架材料在創(chuàng)口部位的原位打印。這種活體支架具有持續(xù)可控的光合產(chǎn)氧特性，能夠顯著加速慢性創(chuàng)面的愈合進程。此外，原位打印的策略既能實現(xiàn)支架材料組成和形狀的個性化定制，又能實時匹配和快速修補任意形狀和深度的組織缺損。這些結(jié)果表明，該原位打印光合產(chǎn)氧活體支架材料將在創(chuàng)面愈合和組織再生等相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

作者簡介

趙遠錦，東南大學(xué)/南京鼓樓醫(yī)院教授，博導(dǎo)。他的研究方向包括仿生材料、微流控、器官芯片等。作為通訊作者在Science Robotics、Science Advances、Nature Protocol、PNAS、Advanced Materials等國際知名期刊發(fā)表研究性論文200余篇，總引用量超過1.3萬次，申請專利120余項。獲得中國化學(xué)會青年化學(xué)家獎、中國化學(xué)會杰出青年科學(xué)家獎、英國皇家化學(xué)會成員（fellow）等。