滑铁卢大学：3D 打印伤口敷料——改善烧伤和癌症治疗

导读：多功能水凝胶的3D打印为开发创新的生物医学技术提供了巨大的机会，它可以提供定制设计的形状和结构。如今3D打印技术已经有了很大的进步，但现有的可打印水凝胶材料限制了这一进展。



2023年6月，南极熊获悉，来自滑铁卢大学的研究人员开发了一种创新的、可定制的伤口敷料，在烧伤护理、癌症治疗和化妆品行业具有潜在的应用前景。这种敷料由智能水凝胶材料制成，有望缓解当前医疗保健实践中的一些重大问题，特别是对于烧伤和癌症患者。这项研究已经发表在了《Journal of Colloid and Interface Science》(SCI 一区）上，题目为《Multi-thermo responsive double network composite hydrogel for 3D printing medical hydrogel mask》（《一种用于3D打印医用水凝胶面具的多温敏双网络复合水凝胶》）。



研究意义
烧伤患者经常要应对频繁而痛苦的换药。新开发的伤口敷料采用先进的聚合物制成，旨在减轻这种痛苦并加快愈合过程。该团队转向 3D 打印以确保可定制的敷料，从而允许精确贴合的伤口敷料满足患者的特定需求。

研究人员对患者的身体部位进行3D 扫描，以确保敷料与不同表面类型具有良好的接触。敷料的定制特性使其对治疗鼻子和手指等部位的烧伤特别有效。除了在烧伤护理中的应用外，这种新材料还可以彻底改变癌症治疗方法。传统的化学疗法通常需要在诊所进行数小时，这个过程可能会让患者感到疲惫和不舒服。智能水凝胶敷料提供了一种替代方案，在临床环境之外提供恒定的药物释放，提高患者在治疗期间的舒适度。

研究内容
为了制作“智能敷料”，该团队选择了一种源自海藻的生物聚合物材料，一种热响应聚合物和纤维素纳米晶体。敷料的热反应性使其能够在皮肤上加热，然后将其轻轻降低至室温，从而增强其粘附性能。如果在冰箱中冷却，敷料会膨胀，但会在体温下收缩到更小的尺寸，从而更容易去除，疼痛感也更小。此外，敷料能够缓释药物，延长疼痛缓解的持续时间。



●三维可打印PNIPAM-海藻酸盐双网络水凝胶树脂的设计与制备
研究人员使用海藻酸盐与PNIPAM形成双网络。海藻酸盐是一种生物衍生聚合物，可以通过离子相互作用进行物理交联，经常被用于调节PNIPAM水凝胶的机械性能。配制用于树脂打印的PNIPAM和海藻酸盐前驱体比传统的挤出打印更具挑战性，因为树脂打印通过UV聚合逐层建立结构，这需要良好的树脂流动性和最小的溶剂挥发。

●PNIPAM-海藻酸盐纳米复合水凝胶的温敏性溶胀和收缩
为了研究水凝胶的温度响应行为，在4℃、20℃和40℃三种温度下对打印的水凝胶立方体进行了一系列尺寸测量。


△水凝胶的可伸缩膨胀/收缩行为

●测试3D打印PNIPAm海藻酸纳米复合水凝胶部件的温敏力学性能
为了研究3D打印水凝胶的温度响应行为，研究人员分别在4℃、20℃和40℃下对两个LC-ST进行了拉伸和压缩测试。研究发现，水凝胶在坍塌状态下具有很高的抗拉强度。水凝胶的初始拉伸强度较弱，在4℃时的最大拉伸强度为71kPa，典型的断裂点出现在60kPa.。在20℃时，样品在200 kPa时表现出较高的极限拉伸强度(168 kPa时平均断裂)，应变增加了110%。这一趋势在40℃时持续，极限拉伸强度为522 kPa(484kPa时平均断裂)，应变为220%。除了拉伸性能外，水凝胶还表现出很高的压缩强度。

●PNIPAM-海藻酸盐纳米复合水凝胶的温敏性载药和释药性能
为了测试水凝胶的载药和释药能力，将模型药物若丹明b浸泡在4℃的水溶液中，以此来载药。在37℃时，溶液浓度在第一个小时内显著增加，大约25%的负载药物释放。在整个测量过程中，若丹明b的释放率持续增加，但在前5小时内，随着释放从水凝胶崩溃的压力驱动过渡到水凝胶达到平衡时的扩散驱动，罗丹明b的释放速率下降。在37℃时的释药速度明显快于20℃和4℃时的27%/h和14%/h.



●水凝胶的温敏性粘附性
伤口敷料最好具有自粘性，这样就不需要额外的医用粘合剂。粘性伤口敷料也应根据需要随时剥离。此研究中的水凝胶系统可以提供这些受自然体温调节的所需特征。



研究总结与展望
研究人员成功开发出一种新型温度响应水凝胶，用于制造能够释放药物的全尺寸 3D 打印医用面罩，使其适用于个性化伤口敷料。该团队使用台湾 3D 打印机制造商Phrozen的Sonic XL 4K 3D 打印机来完成这项任务。


△从 3D 模型到定制设计的面膜，展示了水凝胶树脂的高打印保真度。

除了治疗烧伤患者和癌症患者，这项技术的潜在应用还延伸到美容和化妆品行业，甚至对整形外科医生也有好处。美容师可以利用 3D 扫描技术分析客户的面部特征，并定制注入特定面部和皮肤养生产品的水凝胶面膜。

总体而言，伤口护理领域通过 3D 打印技术的应用取得了显着进步。2018 年，维克森林再生医学研究所的一个团队率先开发了一种移动皮肤生物打印系统，可将双层皮肤直接打印到伤口上，根据伤口的特定尺寸定制组织沉积。澳大利亚皇家墨尔本理工大学的科学家们在 2019 年设计了一种 3D 打印定制保护屏障的方法，这是一种治疗烧伤、溃疡和其他严重伤口的创新解决方案。此外，2018 年，通过多伦多大学和Sunnybrook Research Institute，沉积均匀的皮肤组织层以覆盖和治愈深层伤口。这些举研究表明了3D打印在伤口护理方面的潜力，可以加快愈合速度并提高患者舒适度，为患者进行定制治疗。

未来的研究将侧重于增强具有抗菌颗粒的水凝胶，并改善其配方成分，使材料更健康并具有商业可行性。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.02.021