AFM：可光控釋放生長因子的3D打印GelMA抗菌水凝膠支架

來源：EngineeringForLife  

慢性傷口是糖尿病的一種廣泛并發(fā)癥，糖尿病足潰瘍的截肢率在14-24%。因此，糖尿病患者長期炎癥和全身易感染的問題急需解決。要想使糖尿病慢性傷口快速愈合，需要多種作用協(xié)同治療，包括氧合、感染治療、水合作用以及生長和增殖相關(guān)蛋白的應用。然而，將抗菌和促血管生成等效果整合到一種治療方法中，仍具有一定的挑戰(zhàn)性。

近期，來自哈佛醫(yī)學院的Su Ryon Shin教授和來自檀國大學的Eunjung Lee教授合作開發(fā)了一種3D打印水凝膠支架，該支架包裹了由血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）修飾的具有光活性和抗菌性能的四足氧化鋅（t-ZnO）微粒，將光激活、抗菌、促血管生成和保濕等功能集于一體。相關(guān)論文“Light-Controlled Growth Factors Release on Tetrapodal ZnO-Incorporated 3D-Printed Hydrogels for Developing Smart Wound Scaffold”發(fā)表于Advanced Functional Materials雜志上。

如圖1所示，研究者首先通過H2O2處理制備t-ZnO微粒，然后通過吸附作用使VEGF負載到t-ZnO微粒的表面，最后將負載了VEGF的t-ZnO微粒與GelMA預聚物溶液共混配制成復合生物墨水。通過3D打印技術(shù)制備得到的復合水凝膠支架具有可重復的開放多孔結(jié)構(gòu)，由于t-ZnO的半導體特性，VEGF 在經(jīng)過 H2O2處理過的t-ZnO 微粒上，可以由光觸發(fā)釋放。在患者傷口處嵌入包裹了由VEGF修飾的t-ZnO微粒的3D打印水凝膠支架，具有一定的抗菌和促血管生成功效。

圖1 可光控釋放VEGF的3D打印抗菌水凝膠支架的制備過程示意圖

如圖2所示，通過H2O2處理制備t-ZnO微粒，ZnO不完全轉(zhuǎn)化為ZnO2，不僅使t-ZnO微粒表面積增大，從而增加對蛋白質(zhì)的粘附性，而且保留了t-ZnO的半導體特性，從而利用綠光可以成功地控制VEGF的釋放。

圖2 H2O2處理的t-ZnO可調(diào)光活性表征

如圖3所示，研究者開發(fā)了可以保護傷口免受感染的負載t-ZnO微粒的GelMA水凝膠傷口支架。該支架選用了10%的高濃度GelMA水凝膠，壓縮模量大于50 kPa，接近天然皮膚的彈性模量，從而在加速傷口愈合的過程中最大限度地減少疤痕組織的形成。

圖3 負載t-ZnO微粒的GelMA水凝膠的機械性能

如圖4所示，負載t-ZnO微粒的GelMA 3D打印水凝膠支架具有可重復的開放多孔結(jié)構(gòu)。與大塊水凝膠相比，3D打印水凝膠具有更大的比表面積，有利于調(diào)節(jié)其降解速率，并解決了因GelMA水凝膠濃度過高（>5%）而導致VEGF的釋放過慢的問題。

圖4 負載t-ZnO微粒的GelMA水凝膠的3D打印

如圖5所示，對負載VEGF修飾的t-ZnO微粒的GelMA水凝膠進行體外表征，濃度為0.5-1%的負載VEGF修飾的t-ZnO微粒的GelMA水凝膠為內(nèi)皮細胞（HUVEC）的生長提供了良好的微環(huán)境。VEGF 在HUVEC的粘附、增殖和功能完整性方面起到了重要作用。

圖5 負載VEGF修飾的t-ZnO微粒的GelMA水凝膠的體外表征

如圖6所示，研究者認為t-ZnO的抗菌性能主要來源于其產(chǎn)生的ROS。因此，在細菌長期定植之前，利用t-ZnO的活性，可以有效地起到抗菌的作用，避免傷口發(fā)生感染。負載t-ZnO微粒的水凝膠具有潛在的抗菌性能，有助于傷口更好地愈合。

圖6 t-ZnO粉末和負載t-ZnO微粒的GelMA水凝膠的抗菌性能

如圖7所示，通過Ki67染色評估傷口部位的組織新生情況。Ki67在1% t-ZnO-VEGF組中顯示出最高活性。因此，1% t-ZnO-VEGF組的復合水凝膠支架可以有效促進傷口部位的細胞增殖、血管生成和抗炎反應，從而實現(xiàn)最快的傷口愈合。

圖7 負載VEGF修飾的t-ZnO微粒的GelMA 3D打印水凝膠的傷口愈合評價

綜上所述，本研究提出了一種有趣的將抗菌和促血管生成等效果整合到一起的治療糖尿病慢性傷口方法。研究者通過化學處理對t-ZnO進行修飾，并通過紫外/可見光照射對其進行活化，從而實現(xiàn)VEGF的可控釋放。通過改變t-ZnO的濃度，調(diào)節(jié)復合水凝膠的彈性模量和降解性能。結(jié)合3D打印技術(shù)，將復合生物墨水加工成可重復的開放多孔結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)復合水凝膠的降解性能和釋放行為。體外實驗表明，該水凝膠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。體內(nèi)試驗表明，該水凝膠支架具有較低的免疫原性，對于促進傷口愈合具有良好的效果。希望這種可光控釋放VEGF的3D打印抗菌水凝膠支架能夠為治療糖尿病慢性傷口提供一種新的思路。

參考文獻
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