南京大学赵远锦课题组：原位3D打印光合产氧活体支架加速慢性创面愈合

来源：Research科学研究

南京大学鼓楼医院赵远锦教授课题组受自然界中海藻与蝾螈共生关系启发，将具有光合作用活性的微藻引入到水凝胶支架体系，并通过微流控联合3D打印的策略实现微藻支架材料在皮肤创口部位的原位打印。这种活体支架具有光控产氧的特性，可为缺氧性创面持续供应氧气，促进血管再生，进而显著提高慢性创面的愈合速度和质量。相关研究内容以题为“In Situ 3D Bioprinting Living Photosynthetic Scaffolds for Autotrophic Wound Healing” 发表在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.

相关论文链接：https://doi.org/10.34133/2022/9794745

研究背景

创面频繁地发生于日常生活和外科手术等，创面修复是全世界医疗卫生领域一个备受关注的问题。组织工程支架材料已经被广泛用于各种伤面的修复，特别是大面积伤口、深度伤口和慢性创面。然而，目前通常很难制造具有任意形状和尺寸的支架，以匹配实际应用过程中不同深度和形状的伤口。此外，支架内部的营养输送和氧气供应不足，特别是在较大尺寸支架的中心区域，极易导致影响整体修复效果不佳。尽管通过将无机过氧化物、液体过氧化物或碳氟化合物掺入支架中，可用于缓解全身缺氧、促进血管生成和胶原蛋白沉积，加速伤口愈合。但是，这些系统通常只能在短时间内供应氧气，难以维持整个创面愈合过程所需的氧气供应。因此，具有形状灵活可控和持续供氧特性的新型支架材料有待进一步研究。

作为一种自养型原始微生物，光合微藻在光照条件下能进行光合作用，将二氧化碳和水转化为氧气和营养物。鉴于其自发产氧特性，以及富含生物活性成分和优异的生物相容性，目前已被纳入多种功能型复合材料体系，并成功应用于肿瘤治疗和组织再生等生物医学应用。此外，原位3D生物打印技术能够在体内组织缺损部位直接打印出生物活性支架，便于填充不规则形状的缺口，实现与周边的组织更好的桥接和整合。因此，该研究将微流控纺丝技术与3D打印技术相结合，提出在创口部位原位打印光合微藻支架材料的策略，既能实时匹配任意形状和深度的组织缺损，又能持续为缺氧性创面提供氧气，从而加快慢性创面的愈合进程。

研究进展

在这个体系中，研究团队首先利用共轴组装的毛细管微流控装置制备出一维含微藻的水凝胶纤维材料，随后将微流控装置整合到传统挤出式3D打印平台，通过3D打印的方式对一维纤维进行有序排列和三维堆砌，实现微藻活体水凝胶支架的原位打印 (图1)。

图1  原位3D打印制备光合产氧活体支架及其用于创面修复示意图

由于光合微藻的嵌入，该活体支架在光照下可以持续产生氧气，从而改善缺氧状态下细胞的增殖、迁移和分化等生理活性。此外，通过这一微流控联合3D打印的策略，能够实现微藻支架材料在创口部位的原位打印，利用微藻细胞的光合释放特性，可以有效缓解创面部位的局部缺氧状态，促进新生血管的再生和细胞基质的合成，进而显著加速创面愈合的进程。

由于微藻可在支架内部不断增殖，并通过光合作用持续产生氧气，赋予支架光照可控的自发释氧特性（图2）。其中图2（a，b）为通过原位3D打印策略制备的支架内部的微藻保持良好的增殖活性，比例尺为150 μm；图2（c，d）展示了在室温和生理温度下，支架都具备光合产氧的特性；图2（e）展示了通过光照可以控制微藻支架的氧气释放。

图2 微藻支架的光合产氧能力

当微藻支架与细胞共同培养时，支架本身具有很好的细胞相容性，微藻和细胞能够维持长时间的共生关系。更重要的是，支架内部的微藻在光照条件下还能不断释放出氧气，从而有效缓解低氧环境中的细胞的乏氧状态，使得细胞维持良好的增殖、迁移和分化等生理活性（图3）。其中，图3（a）是微藻支架通过光合作用释放氧气改善体外细胞乏氧环境示意图；图3（b）为采用缺氧探针验证支架具有释放氧气、缓解缺氧环境的作用；在缺氧条件下，微藻支架可以通过释放氧气，加速低氧环境下内皮细胞的增殖（图3（c，d））、迁移（图3（e-h））和小管结构形成（图3（i，j）），所有比例尺均为200 μm。

图3 微藻支架改善体外细胞的缺氧微环境

进一步地，该团队使用典型的糖尿病慢性伤口模型对微藻支架缓解体内缺氧和促进愈合的能力进行评估（图4）。他们将纯水凝胶支架和含微藻支架直接原位打印在糖尿病小鼠的创口部位（图4（a）），并结合光照进行创面治疗。通过持续15天的观察发现（图4（b、c），比例尺为5 mm），与不含微藻的支架组相比，微藻支架能起到显著加速创口愈合速度的效果。值得注意的是，光照和不光照情况下的微藻支架组之间没有显著性差异，这表明微藻活体支架本身具有较好的组织再生活性，即使在没有光照的情况下也能起到促进伤口愈合的作用。随后对新生皮肤进行组织学分析发现（图4（d，e），比例尺为300 μm），微藻支架组的创口部位形成更为完整和有序的新生皮肤组织，与对照组和不含微藻的支架组中观察到的不完整表皮形成鲜明对比。同时，光照状态下的微藻支架对改善创口部位的乏氧状态、加速血管新生和胶原沉积具有更好的效果。由此可见，该光合活微藻支架有望作为一种新型组织工程支架材料，广泛应用于多种组织缺损修复的应用。

图4  原位打印微藻支架用于慢性伤口愈合

未来展望

赵远锦教授团队利用微流控联合3D打印的策略，实现光合活体支架材料在创口部位的原位打印。这种活体支架具有持续可控的光合产氧特性，能够显著加速慢性创面的愈合进程。此外，原位打印的策略既能实现支架材料组成和形状的个性化定制，又能实时匹配和快速修补任意形状和深度的组织缺损。这些结果表明，该原位打印光合产氧活体支架材料将在创面愈合和组织再生等相关研究领域发挥重要作用。

作者简介

赵远锦，东南大学/南京鼓楼医院教授，博导。他的研究方向包括仿生材料、微流控、器官芯片等。作为通讯作者在Science Robotics、Science Advances、Nature Protocol、PNAS、Advanced Materials等国际知名期刊发表研究性论文200余篇，总引用量超过1.3万次，申请专利120余项。获得中国化学会青年化学家奖、中国化学会杰出青年科学家奖、英国皇家化学会成员（fellow）等。