多伦多大学《ACS Nano》多功能 3D 打印水凝胶伤口敷料

来源：水凝胶

导读：个性化的伤口敷料为不同的伤口类型提供更好的愈合；然而，具有不同生物活性剂的离散可控递送的多组分伤口敷料尚待开发。

最近， 多伦多大学 Eugenia Kumacheva 教授 团队 报告了 3D 打印的多组分生物复合水凝胶伤口敷料，这些敷料已选择性地装载小分子、金属纳米颗粒和蛋白质，用于在伤口部位独立控制释放。 带有抗菌银纳米颗粒和具有预定释放曲线的血管内皮生长因子的水凝胶伤口敷料用于研究小鼠模型中伤口的生理反应。与对照相比，敷料的应用导致肉芽组织形成和血管密度不同水平的改善，这取决于生长因子的释放曲线。 该 研究证明了 3D 打印水凝胶敷料的多功能性，可以在体内产 生不同的生理反应，并可以进一步适应各种伤口类型的个性化治疗。相关论文以题为 Multifunctional 3D-Printed Wound Dressings 发表在《 ACS Nano 》上。

图 1. 3D 打印伤口敷料制作示意图 。(A) 纤维素纳米晶体 (CNC)、壳聚糖甲基丙烯酰胺 (Chit-MA) 和生物活性成分（蛋白质、小分子或纳米颗粒）的混合。(B) 剪切稀化水凝胶墨水的形成。(C) 使用微流体打印头挤出水凝胶墨水, 在紫外线照射后在 Tegaderm 背衬层上制造片材。(D) 使用微流体打印头挤出水凝胶墨水，用于在紫外线照射后在 Tegaderm 背层上进行多功能伤口敷料。不同的长丝颜色（通过使用食用染料实现）突出了打印负载不同活性成分的长丝的能力。

　　

图 2. 化学交联水凝胶 (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 的水凝胶的代表性 SEM 图像。(E) R = 0.68、1.0 和 1.7 24 小时后的水蒸气透过率 (WVTR)。(F) R = 0（紫色★）、1.7（灰色■）、1.0（红色●）和0.68（蓝色▲）的PBS溶液中冻干水凝胶的溶胀。(G) R 为 0.0、0.68、1.0 和 1.7 的水凝胶的压缩杨氏模量 (E)。

　　

图 3. PBS 中水凝胶（R = 1.0，C tot = 40 mg/mL）中生物活性剂的释放。 (A) 银离子从水凝胶中的释放曲线（AgNP 浓度为 4.5 毫克/毫升）。(B) 从水凝胶中释放庆大霉素 (1 毫克/毫升浓度)。(C) 从水凝胶中释放 BSA（1 毫克/毫升浓度）。

　　

图 4. 多功能敷料中生物活性剂的释放。 (A) 带有四个 BSA 负载细丝和两个 AgNP 负载细丝的敷料的示意图和随附的释放曲线。绿色和蓝色分别代表加载 BSA 和 AgNP 的细丝。(B) 带有四个 BSA 负载细丝和四个 AgNP 负载细丝的敷料的示意图和伴随的释放曲线。绿色和蓝色分别代表加载 BSA 和 AgNP 的细丝。(C) 带有两条 VEGF 负载细丝和两条 AgNP 负载细丝的敷料的示意图和伴随的释放曲线。红色和蓝色分别代表 VEGF 和 AgNP 负载的细丝。(D) 带有四个 VEGF 负载细丝和两个 AgNP 负载细丝的敷料的示意图和伴随的释放曲线。红色和蓝色分别代表 VEGF 和 AgNP 负载的细丝。所有水凝胶的 R = 1.0 和 C tot =40 mg/mL，水凝胶墨水中 BSA、AgNPs 和 VEGF 的浓度分别为 1 mg/mL、4.5 mg/mL 和 10 μg/mL。

　 　

图 5. 水凝胶的生物相容性和抗菌性能。 (A) 在 DMEM 中孵育 48 小时后，3T3 细胞与不含生物活性剂的水凝胶（空白凝胶）一起孵育或在六孔板中装载特定生物活性剂的 LIVE/DEAD 测定图像。活细胞用钙黄绿素 AM（绿色）染色，死细胞用 EthD-1（红色）染色。虚线描绘了水凝胶的边缘。(B) 在无抗菌水凝胶（空白凝胶）、载有 AgNP 的水凝胶和载有庆大霉素的水凝胶存在下培养的金黄色葡萄球菌（顶部）和铜绿假单胞菌（底部）的抑制区 (ZOI) 测试。(C) 在有和没有抗菌剂的水凝胶存在下，为金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌测量的 ZOI 的平均宽度。

　　

图 6. 6 天内小鼠模型伤口愈合分析。 (A) 第 0、3 和 6 天伤口的代表性图片，第 3 天更换敷料。(B) 在第 3 天和第 6 天收集的组织学伤口组织样本的代表性切片，用苏木精和伊红染色。箭头标记伤口边缘的皮肤边缘，星号标记伤口床中肉芽组织沉积的区域。(C) 在第 3 天（紫色）和第 6 天（0 = 正常/无，1 = 最低，2 = 轻度，3 = 中度，4 = 显着）通过组织学半定量评估组织炎症水平（黄色的）。(D) 在第 3 天 (紫色) 和第 6 天 (黄色) 通过与 (C) 相同规模的组织学评估肉芽组织沉积。(E) 通过组织学评估的组织血管化水平。在第 3 天（紫色）和第 6 天（黄色）通过 CD31 免疫组织化学染色的连续切片中，每五个高放大倍数（40 倍）视野中随机分布的血管分布的平均数计数。

【科研摘要】
该团队设计并 3D 打印了多功能网状水凝胶，以推进个性化伤口治疗的伤口敷料应用。主体水凝胶由 纤维素纳米晶体 和 壳聚糖甲基丙烯酰胺 形成。水凝胶伤口敷料中的独特细丝装有生物活性剂，如小分子抗生素或银纳米粒子（提供抗菌作用）和蛋白质（用于伤口愈合目的）。通过改变敷料中主体细丝的数量来控制不同药剂的被动释放曲线。在水凝胶中加入刺激响应聚合物主体可以允许在伤口部位主动释放治疗剂；然而，没有研究这种方法以确保容易制造。此外，敷料的结构可以改变，因为通过 3D 打印可以很容易地在网格型敷料中打印直径为 500 ±100 μm 、网格尺寸为 200 μm 的长丝。

水凝胶的生物相容性和抗菌特性在体外得到证实，多功能敷料在体内进行了测试，以研究与 Tegaderm 对照相比，不同敷料成分和释放方案引起的不同生理反应。在用具有不同生物活性剂 VEGF 释放曲线的水凝胶敷料处理的小鼠模型中， 早在创面后 6 天就观察到肉芽组织形成和血管形成的不同生理反应。与对照组相比，伤口被水凝胶敷料覆盖的组的肉芽组织形成有所改善。 此外，根据所采用的水凝胶的不同设计，观察到伤口部位血管密度的不同水平，水凝胶组的血管密度显着高于对照组。

以网状格式 3D 打印的多功能丝状敷料能够控制生物活性剂的被动差异释放，可以针对所需的应用进行定制，例如， 采用不同的生长因子来促进特定伤口类型和几何形状的愈合。能够随着时间的推移在伤口床上刺激所需数量的血管化，并能够根据持续治疗调整递送方案，从而实现个性化伤口愈合，提供对个性化伤口治疗方法的深入了解，并最终改善伤口愈合通过突出3D打印伤口敷料的多功能性和可定制性。 应探索更大的体内队列和不同敷料配方的长期研究，以确定各种伤口类型的最佳愈合能力。随着伤口愈合领域的研究越来越多，各种水凝胶主体和活性剂可以结合 并掺入敷料中，从而满足特定患者的需求。

参考文献 ：doi.org/10.1021/acsnano.1c04499