中科院蘇州納米所黃潔：生物3D打印導(dǎo)電皮膚支架，為傷口愈合打造理想微環(huán)境

來源：EFL生物3D打印與生物制造

隨著人口老齡化和慢性病患病率上升，器官移植需求愈發(fā)迫切，但供體短缺成為臨床醫(yī)學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)。組織工程作為替代方案，其中3D生物打印技術(shù)可構(gòu)建模擬人體生理的組織工程支架，然而，其發(fā)展受限于缺乏合適的生物墨水。傳統(tǒng)導(dǎo)電水凝膠存在電信號(hào)傳導(dǎo)模式不匹配、可打印性差、細(xì)胞毒性大等問題，離子導(dǎo)電水凝膠雖更契合人體組織電信號(hào)特征，但也面臨低細(xì)胞毒性和高穩(wěn)定性難以兼顧的困境。  

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的黃潔研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型離子導(dǎo)電仿生生物墨水（GHCM），并利用3D生物打印技術(shù)制備雙層導(dǎo)電皮膚支架用于全層皮膚缺損治療。該生物墨水由明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）、氧化透明質(zhì)酸（OHA）、羧甲基殼聚糖（CMCS）和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿（MPC）組成，解決了傳統(tǒng)導(dǎo)電水凝膠的諸多問題。相關(guān)工作以 “3D Bioprinting of Double‐Layer Conductive Skin for Wound Healing” 為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上，為電活性組織的精確工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了新策略。

研究?jī)?nèi)容
1. GHCM生物墨水/水凝膠的制備與表征
通過化學(xué)合成、光譜分析、物理性能測(cè)試等研究方法，研究了由GelMA、OHA、CMCS和MPC組成的GHCM生物墨水及水凝膠。結(jié)果表明，該生物墨水在4°C混合后發(fā)生溶膠 - 凝膠轉(zhuǎn)變，經(jīng)UV光照可形成穩(wěn)定水凝膠，其儲(chǔ)能模量在0.1 - 10Hz頻率范圍內(nèi)遠(yuǎn)大于損耗模量，完全交聯(lián)后儲(chǔ)能模量值約3kPa，與天然皮膚相當(dāng)。同時(shí)，水凝膠具有良好的自愈合性、導(dǎo)電性、抗菌性和生物相容性，MPC的添加顯著提高了水凝膠的離子電導(dǎo)率，且GHC - M2水凝膠綜合性能最佳。

圖1. 3D打印雙層導(dǎo)電皮膚支架修復(fù)體內(nèi)全層皮膚缺損的示意圖。

2. GHCM生物墨水的可打印性
采用流變測(cè)試、打印實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞活性檢測(cè)等研究方法，研究了GHCM生物墨水在3D打印中的性能。結(jié)果顯示，OHA和CMCS的加入提高了生物墨水的粘度，MPC的摻雜進(jìn)一步增強(qiáng)了該性能，GHC - M2生物墨水具有顯著的剪切變稀行為和可逆觸變性，能在打印后保持支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，打印的微絲直徑接近標(biāo)準(zhǔn)噴嘴直徑，打印性值高達(dá)0.93 ± 0.05。此外，細(xì)胞在GHC - M2生物墨水打印的支架中存活率高，增殖良好，證明打印過程和UV光照對(duì)細(xì)胞活性和增殖無明顯不利影響。

圖2. GHCM生物墨水的表征。

3. GHCM水凝膠的體內(nèi)生物相容性和降解
通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、組織學(xué)染色等研究方法，以Sprague - Dawley（SD）大鼠為研究對(duì)象，評(píng)估GHC - M2水凝膠的體內(nèi)生物相容性和降解情況。結(jié)果表明，植入水凝膠后大鼠均存活良好，7天時(shí)水凝膠周圍免疫細(xì)胞增多，出現(xiàn)急性炎癥反應(yīng)，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)炎癥逐漸減輕，21天時(shí)與對(duì)照組組織形態(tài)相似，且此時(shí)水凝膠大部分已降解，殘留少量，其降解速率與皮膚再生速率匹配，說明GHC - M2水凝膠適合體內(nèi)應(yīng)用。

圖3. GHCM水凝膠的理化性質(zhì)。

4. 雙層導(dǎo)電皮膚支架的3D打印及體外功能評(píng)估
運(yùn)用3D打印技術(shù)、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、免疫熒光染色等研究方法，對(duì)3D打印的雙層導(dǎo)電皮膚支架進(jìn)行體外功能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該支架能促進(jìn)表皮細(xì)胞（HaCaTs）遷移、成纖維細(xì)胞（HFF - 1）和內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）增殖與遷移，加速血管化和上皮化進(jìn)程。例如，GHC - M2組中HaCaTs的相對(duì)傷口面積在24h后顯著減小，HFF - 1和HUVECs在21d時(shí)大量遷移至表皮，且GHC - M2組血管成熟標(biāo)記物CD31表達(dá)更高，表皮結(jié)構(gòu)成熟標(biāo)記物CK10表達(dá)也顯著高于對(duì)照組。

圖4. GHCM生物墨水的可打印性。

5. 雙層導(dǎo)電皮膚支架的體內(nèi)修復(fù)效果
利用動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)、組織學(xué)分析等研究方法，以SD大鼠全層皮膚缺損模型為研究對(duì)象，評(píng)估雙層導(dǎo)電皮膚支架的體內(nèi)修復(fù)效果。結(jié)果顯示，植入雙層導(dǎo)電皮膚支架（GHC - M2 + cell組）的傷口愈合速度最快，21d時(shí)傷口閉合率高達(dá)98 ± 0.3%。H&E染色、Masson染色和免疫熒光染色結(jié)果表明，該組促進(jìn)了肉芽組織形成、膠原沉積和血管生成，加速了再上皮化過程，有效重建了再生皮膚結(jié)構(gòu)，使其更接近天然皮膚。

圖5. 體內(nèi)生物相容性和降解實(shí)驗(yàn)示意圖。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種創(chuàng)新的3D生物打印策略，通過離子導(dǎo)電仿生生物墨水和功能細(xì)胞構(gòu)建了具有生物活性的雙層導(dǎo)電皮膚支架。該3D打印支架從微觀到宏觀模擬了天然組織，不僅為細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移和分化提供了適宜的導(dǎo)電微環(huán)境，還復(fù)制了人體皮膚的多層結(jié)構(gòu)和細(xì)胞空間分布。在全層皮膚傷口大鼠模型中，這種支架實(shí)現(xiàn)了快速高效的皮膚再生。未來，基于這種新型離子導(dǎo)電生物墨水和3D打印技術(shù)，有望構(gòu)建出更多定制化、功能性的活器官，用于組織工程領(lǐng)域。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202404388