滑鐵盧大學：3D 打印傷口敷料——改善燒傷和癌癥治療

導讀：多功能水凝膠的3D打印為開發(fā)創(chuàng)新的生物醫(yī)學技術提供了巨大的機會，它可以提供定制設計的形狀和結構。如今3D打印技術已經(jīng)有了很大的進步，但現(xiàn)有的可打印水凝膠材料限制了這一進展。



2023年6月，南極熊獲悉，來自滑鐵盧大學的研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的、可定制的傷口敷料，在燒傷護理、癌癥治療和化妝品行業(yè)具有潛在的應用前景。這種敷料由智能水凝膠材料制成，有望緩解當前醫(yī)療保健實踐中的一些重大問題，特別是對于燒傷和癌癥患者。這項研究已經(jīng)發(fā)表在了《Journal of Colloid and Interface Science》(SCI 一區(qū)）上，題目為《Multi-thermo responsive double network composite hydrogel for 3D printing medical hydrogel mask》（《一種用于3D打印醫(yī)用水凝膠面具的多溫敏雙網(wǎng)絡復合水凝膠》）。



研究意義
燒傷患者經(jīng)常要應對頻繁而痛苦的換藥。新開發(fā)的傷口敷料采用先進的聚合物制成，旨在減輕這種痛苦并加快愈合過程。該團隊轉向 3D 打印以確保可定制的敷料，從而允許精確貼合的傷口敷料滿足患者的特定需求。

研究人員對患者的身體部位進行3D 掃描，以確保敷料與不同表面類型具有良好的接觸。敷料的定制特性使其對治療鼻子和手指等部位的燒傷特別有效。除了在燒傷護理中的應用外，這種新材料還可以徹底改變癌癥治療方法。傳統(tǒng)的化學療法通常需要在診所進行數(shù)小時，這個過程可能會讓患者感到疲憊和不舒服。智能水凝膠敷料提供了一種替代方案，在臨床環(huán)境之外提供恒定的藥物釋放，提高患者在治療期間的舒適度。

研究內(nèi)容
為了制作“智能敷料”，該團隊選擇了一種源自海藻的生物聚合物材料，一種熱響應聚合物和纖維素納米晶體。敷料的熱反應性使其能夠在皮膚上加熱，然后將其輕輕降低至室溫，從而增強其粘附性能。如果在冰箱中冷卻，敷料會膨脹，但會在體溫下收縮到更小的尺寸，從而更容易去除，疼痛感也更小。此外，敷料能夠緩釋藥物，延長疼痛緩解的持續(xù)時間。



●三維可打印PNIPAM-海藻酸鹽雙網(wǎng)絡水凝膠樹脂的設計與制備
研究人員使用海藻酸鹽與PNIPAM形成雙網(wǎng)絡。海藻酸鹽是一種生物衍生聚合物，可以通過離子相互作用進行物理交聯(lián)，經(jīng)常被用于調(diào)節(jié)PNIPAM水凝膠的機械性能。配制用于樹脂打印的PNIPAM和海藻酸鹽前驅體比傳統(tǒng)的擠出打印更具挑戰(zhàn)性，因為樹脂打印通過UV聚合逐層建立結構，這需要良好的樹脂流動性和最小的溶劑揮發(fā)。

●PNIPAM-海藻酸鹽納米復合水凝膠的溫敏性溶脹和收縮
為了研究水凝膠的溫度響應行為，在4℃、20℃和40℃三種溫度下對打印的水凝膠立方體進行了一系列尺寸測量。


△水凝膠的可伸縮膨脹/收縮行為

●測試3D打印PNIPAm海藻酸納米復合水凝膠部件的溫敏力學性能
為了研究3D打印水凝膠的溫度響應行為，研究人員分別在4℃、20℃和40℃下對兩個LC-ST進行了拉伸和壓縮測試。研究發(fā)現(xiàn)，水凝膠在坍塌狀態(tài)下具有很高的抗拉強度。水凝膠的初始拉伸強度較弱，在4℃時的最大拉伸強度為71kPa，典型的斷裂點出現(xiàn)在60kPa.。在20℃時，樣品在200 kPa時表現(xiàn)出較高的極限拉伸強度(168 kPa時平均斷裂)，應變增加了110%。這一趨勢在40℃時持續(xù)，極限拉伸強度為522 kPa(484kPa時平均斷裂)，應變?yōu)?20%。除了拉伸性能外，水凝膠還表現(xiàn)出很高的壓縮強度。

●PNIPAM-海藻酸鹽納米復合水凝膠的溫敏性載藥和釋藥性能
為了測試水凝膠的載藥和釋藥能力，將模型藥物若丹明b浸泡在4℃的水溶液中，以此來載藥。在37℃時，溶液濃度在第一個小時內(nèi)顯著增加，大約25%的負載藥物釋放。在整個測量過程中，若丹明b的釋放率持續(xù)增加，但在前5小時內(nèi)，隨著釋放從水凝膠崩潰的壓力驅動過渡到水凝膠達到平衡時的擴散驅動，羅丹明b的釋放速率下降。在37℃時的釋藥速度明顯快于20℃和4℃時的27%/h和14%/h.



●水凝膠的溫敏性粘附性
傷口敷料最好具有自粘性，這樣就不需要額外的醫(yī)用粘合劑。粘性傷口敷料也應根據(jù)需要隨時剝離。此研究中的水凝膠系統(tǒng)可以提供這些受自然體溫調(diào)節(jié)的所需特征。



研究總結與展望
研究人員成功開發(fā)出一種新型溫度響應水凝膠，用于制造能夠釋放藥物的全尺寸 3D 打印醫(yī)用面罩，使其適用于個性化傷口敷料。該團隊使用臺灣 3D 打印機制造商Phrozen的Sonic XL 4K 3D 打印機來完成這項任務。


△從 3D 模型到定制設計的面膜，展示了水凝膠樹脂的高打印保真度。

除了治療燒傷患者和癌癥患者，這項技術的潛在應用還延伸到美容和化妝品行業(yè)，甚至對整形外科醫(yī)生也有好處。美容師可以利用 3D 掃描技術分析客戶的面部特征，并定制注入特定面部和皮膚養(yǎng)生產(chǎn)品的水凝膠面膜。

總體而言，傷口護理領域通過 3D 打印技術的應用取得了顯著進步。2018 年，維克森林再生醫(yī)學研究所的一個團隊率先開發(fā)了一種移動皮膚生物打印系統(tǒng)，可將雙層皮膚直接打印到傷口上，根據(jù)傷口的特定尺寸定制組織沉積。澳大利亞皇家墨爾本理工大學的科學家們在 2019 年設計了一種 3D 打印定制保護屏障的方法，這是一種治療燒傷、潰瘍和其他嚴重傷口的創(chuàng)新解決方案。此外，2018 年，通過多倫多大學和Sunnybrook Research Institute，沉積均勻的皮膚組織層以覆蓋和治愈深層傷口。這些舉研究表明了3D打印在傷口護理方面的潛力，可以加快愈合速度并提高患者舒適度，為患者進行定制治療。

未來的研究將側重于增強具有抗菌顆粒的水凝膠，并改善其配方成分，使材料更健康并具有商業(yè)可行性。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.02.021