AFM：可光控释放生长因子的3D打印GelMA抗菌水凝胶支架

来源：EngineeringForLife  

慢性伤口是糖尿病的一种广泛并发症，糖尿病足溃疡的截肢率在14-24%。因此，糖尿病患者长期炎症和全身易感染的问题急需解决。要想使糖尿病慢性伤口快速愈合，需要多种作用协同治疗，包括氧合、感染治疗、水合作用以及生长和增殖相关蛋白的应用。然而，将抗菌和促血管生成等效果整合到一种治疗方法中，仍具有一定的挑战性。

近期，来自哈佛医学院的Su Ryon Shin教授和来自檀国大学的Eunjung Lee教授合作开发了一种3D打印水凝胶支架，该支架包裹了由血管内皮生长因子（VEGF）修饰的具有光活性和抗菌性能的四足氧化锌（t-ZnO）微粒，将光激活、抗菌、促血管生成和保湿等功能集于一体。相关论文“Light-Controlled Growth Factors Release on Tetrapodal ZnO-Incorporated 3D-Printed Hydrogels for Developing Smart Wound Scaffold”发表于Advanced Functional Materials杂志上。

如图1所示，研究者首先通过H2O2处理制备t-ZnO微粒，然后通过吸附作用使VEGF负载到t-ZnO微粒的表面，最后将负载了VEGF的t-ZnO微粒与GelMA预聚物溶液共混配制成复合生物墨水。通过3D打印技术制备得到的复合水凝胶支架具有可重复的开放多孔结构，由于t-ZnO的半导体特性，VEGF 在经过 H2O2处理过的t-ZnO 微粒上，可以由光触发释放。在患者伤口处嵌入包裹了由VEGF修饰的t-ZnO微粒的3D打印水凝胶支架，具有一定的抗菌和促血管生成功效。

图1 可光控释放VEGF的3D打印抗菌水凝胶支架的制备过程示意图

如图2所示，通过H2O2处理制备t-ZnO微粒，ZnO不完全转化为ZnO2，不仅使t-ZnO微粒表面积增大，从而增加对蛋白质的粘附性，而且保留了t-ZnO的半导体特性，从而利用绿光可以成功地控制VEGF的释放。

图2 H2O2处理的t-ZnO可调光活性表征

如图3所示，研究者开发了可以保护伤口免受感染的负载t-ZnO微粒的GelMA水凝胶伤口支架。该支架选用了10%的高浓度GelMA水凝胶，压缩模量大于50 kPa，接近天然皮肤的弹性模量，从而在加速伤口愈合的过程中最大限度地减少疤痕组织的形成。

图3 负载t-ZnO微粒的GelMA水凝胶的机械性能

如图4所示，负载t-ZnO微粒的GelMA 3D打印水凝胶支架具有可重复的开放多孔结构。与大块水凝胶相比，3D打印水凝胶具有更大的比表面积，有利于调节其降解速率，并解决了因GelMA水凝胶浓度过高（>5%）而导致VEGF的释放过慢的问题。

图4 负载t-ZnO微粒的GelMA水凝胶的3D打印

如图5所示，对负载VEGF修饰的t-ZnO微粒的GelMA水凝胶进行体外表征，浓度为0.5-1%的负载VEGF修饰的t-ZnO微粒的GelMA水凝胶为内皮细胞（HUVEC）的生长提供了良好的微环境。VEGF 在HUVEC的粘附、增殖和功能完整性方面起到了重要作用。

图5 负载VEGF修饰的t-ZnO微粒的GelMA水凝胶的体外表征

如图6所示，研究者认为t-ZnO的抗菌性能主要来源于其产生的ROS。因此，在细菌长期定植之前，利用t-ZnO的活性，可以有效地起到抗菌的作用，避免伤口发生感染。负载t-ZnO微粒的水凝胶具有潜在的抗菌性能，有助于伤口更好地愈合。

图6 t-ZnO粉末和负载t-ZnO微粒的GelMA水凝胶的抗菌性能

如图7所示，通过Ki67染色评估伤口部位的组织新生情况。Ki67在1% t-ZnO-VEGF组中显示出最高活性。因此，1% t-ZnO-VEGF组的复合水凝胶支架可以有效促进伤口部位的细胞增殖、血管生成和抗炎反应，从而实现最快的伤口愈合。

图7 负载VEGF修饰的t-ZnO微粒的GelMA 3D打印水凝胶的伤口愈合评价

综上所述，本研究提出了一种有趣的将抗菌和促血管生成等效果整合到一起的治疗糖尿病慢性伤口方法。研究者通过化学处理对t-ZnO进行修饰，并通过紫外/可见光照射对其进行活化，从而实现VEGF的可控释放。通过改变t-ZnO的浓度，调节复合水凝胶的弹性模量和降解性能。结合3D打印技术，将复合生物墨水加工成可重复的开放多孔结构，从而调节复合水凝胶的降解性能和释放行为。体外实验表明，该水凝胶支架具有良好的生物相容性，并具有一定的抗菌和促血管生成功能。体内试验表明，该水凝胶支架具有较低的免疫原性，对于促进伤口愈合具有良好的效果。希望这种可光控释放VEGF的3D打印抗菌水凝胶支架能够为治疗糖尿病慢性伤口提供一种新的思路。

参考文献
Leonard Siebert, Eder Luna-Cerón, Luis Enrique García-Rivera, Junsung Oh, JunHwee Jang, Diego A. Rosas-Gómez, Mitzi D. Pérez-Gómez, Gregor Maschkowitz, Helmut Fickenscher, Daniela Oceguera-Cuevas, Carmen G. Holguín-León, Batzaya Byambaa, Mohammad A. Hussain, Eduardo Enciso-Martínez, Minsung Cho, Yuhan Lee, Nebras Sobahi, Anwarul Hasan, Dennis P. Orgill, Yogendra Kumar Mishra, Rainer Adelung, Eunjung Lee, Su Ryon Shin. Light-Controlled Growth Factors Release on Tetrapodal ZnO-Incorporated 3D-Printed Hydrogels for Developing Smart Wound Scaffold. Advanced Functional Materials
https://doi.org/10.1002/adfm.202007555