滑鐵盧大學(xué)：3D 打印傷口敷料——改善燒傷和癌癥治療

導(dǎo)讀：多功能水凝膠的3D打印為開發(fā)創(chuàng)新的生物醫(yī)學(xué)技術(shù)提供了巨大的機(jī)會(huì)，它可以提供定制設(shè)計(jì)的形狀和結(jié)構(gòu)。如今3D打印技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但現(xiàn)有的可打印水凝膠材料限制了這一進(jìn)展。



2023年6月，南極熊獲悉，來自滑鐵盧大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的、可定制的傷口敷料，在燒傷護(hù)理、癌癥治療和化妝品行業(yè)具有潛在的應(yīng)用前景。這種敷料由智能水凝膠材料制成，有望緩解當(dāng)前醫(yī)療保健實(shí)踐中的一些重大問題，特別是對(duì)于燒傷和癌癥患者。這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在了《Journal of Colloid and Interface Science》(SCI 一區(qū)）上，題目為《Multi-thermo responsive double network composite hydrogel for 3D printing medical hydrogel mask》（《一種用于3D打印醫(yī)用水凝膠面具的多溫敏雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合水凝膠》）。



研究意義
燒傷患者經(jīng)常要應(yīng)對(duì)頻繁而痛苦的換藥。新開發(fā)的傷口敷料采用先進(jìn)的聚合物制成，旨在減輕這種痛苦并加快愈合過程。該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向 3D 打印以確�？啥ㄖ频姆罅�，從而允許精確貼合的傷口敷料滿足患者的特定需求。

研究人員對(duì)患者的身體部位進(jìn)行3D 掃描，以確保敷料與不同表面類型具有良好的接觸。敷料的定制特性使其對(duì)治療鼻子和手指等部位的燒傷特別有效。除了在燒傷護(hù)理中的應(yīng)用外，這種新材料還可以徹底改變癌癥治療方法。傳統(tǒng)的化學(xué)療法通常需要在診所進(jìn)行數(shù)小時(shí)，這個(gè)過程可能會(huì)讓患者感到疲憊和不舒服。智能水凝膠敷料提供了一種替代方案，在臨床環(huán)境之外提供恒定的藥物釋放，提高患者在治療期間的舒適度。

研究?jī)?nèi)容
為了制作“智能敷料”，該團(tuán)隊(duì)選擇了一種源自海藻的生物聚合物材料，一種熱響應(yīng)聚合物和纖維素納米晶體。敷料的熱反應(yīng)性使其能夠在皮膚上加熱，然后將其輕輕降低至室溫，從而增強(qiáng)其粘附性能。如果在冰箱中冷卻，敷料會(huì)膨脹，但會(huì)在體溫下收縮到更小的尺寸，從而更容易去除，疼痛感也更小。此外，敷料能夠緩釋藥物，延長(zhǎng)疼痛緩解的持續(xù)時(shí)間。



●三維可打印PNIPAM-海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠樹脂的設(shè)計(jì)與制備
研究人員使用海藻酸鹽與PNIPAM形成雙網(wǎng)絡(luò)。海藻酸鹽是一種生物衍生聚合物，可以通過離子相互作用進(jìn)行物理交聯(lián)，經(jīng)常被用于調(diào)節(jié)PNIPAM水凝膠的機(jī)械性能。配制用于樹脂打印的PNIPAM和海藻酸鹽前驅(qū)體比傳統(tǒng)的擠出打印更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)闃渲�打印通過UV聚合逐層建立結(jié)構(gòu)，這需要良好的樹脂流動(dòng)性和最小的溶劑揮發(fā)。

●PNIPAM-海藻酸鹽納米復(fù)合水凝膠的溫敏性溶脹和收縮
為了研究水凝膠的溫度響應(yīng)行為，在4℃、20℃和40℃三種溫度下對(duì)打印的水凝膠立方體進(jìn)行了一系列尺寸測(cè)量。


△水凝膠的可伸縮膨脹/收縮行為

●測(cè)試3D打印PNIPAm海藻酸納米復(fù)合水凝膠部件的溫敏力學(xué)性能
為了研究3D打印水凝膠的溫度響應(yīng)行為，研究人員分別在4℃、20℃和40℃下對(duì)兩個(gè)LC-ST進(jìn)行了拉伸和壓縮測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，水凝膠在坍塌狀態(tài)下具有很高的抗拉強(qiáng)度。水凝膠的初始拉伸強(qiáng)度較弱，在4℃時(shí)的最大拉伸強(qiáng)度為71kPa，典型的斷裂點(diǎn)出現(xiàn)在60kPa.。在20℃時(shí)，樣品在200 kPa時(shí)表現(xiàn)出較高的極限拉伸強(qiáng)度(168 kPa時(shí)平均斷裂)，應(yīng)變?cè)黾恿?10%。這一趨勢(shì)在40℃時(shí)持續(xù)，極限拉伸強(qiáng)度為522 kPa(484kPa時(shí)平均斷裂)，應(yīng)變?yōu)?20%。除了拉伸性能外，水凝膠還表現(xiàn)出很高的壓縮強(qiáng)度。

●PNIPAM-海藻酸鹽納米復(fù)合水凝膠的溫敏性載藥和釋藥性能
為了測(cè)試水凝膠的載藥和釋藥能力，將模型藥物若丹明b浸泡在4℃的水溶液中，以此來載藥。在37℃時(shí)，溶液濃度在第一個(gè)小時(shí)內(nèi)顯著增加，大約25%的負(fù)載藥物釋放。在整個(gè)測(cè)量過程中，若丹明b的釋放率持續(xù)增加，但在前5小時(shí)內(nèi)，隨著釋放從水凝膠崩潰的壓力驅(qū)動(dòng)過渡到水凝膠達(dá)到平衡時(shí)的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)，羅丹明b的釋放速率下降。在37℃時(shí)的釋藥速度明顯快于20℃和4℃時(shí)的27%/h和14%/h.



●水凝膠的溫敏性粘附性
傷口敷料最好具有自粘性，這樣就不需要額外的醫(yī)用粘合劑。粘性傷口敷料也應(yīng)根據(jù)需要隨時(shí)剝離。此研究中的水凝膠系統(tǒng)可以提供這些受自然體溫調(diào)節(jié)的所需特征。



研究總結(jié)與展望
研究人員成功開發(fā)出一種新型溫度響應(yīng)水凝膠，用于制造能夠釋放藥物的全尺寸 3D 打印醫(yī)用面罩，使其適用于個(gè)性化傷口敷料。該團(tuán)隊(duì)使用臺(tái)灣 3D 打印機(jī)制造商Phrozen的Sonic XL 4K 3D 打印機(jī)來完成這項(xiàng)任務(wù)。


△從 3D 模型到定制設(shè)計(jì)的面膜，展示了水凝膠樹脂的高打印保真度。

除了治療燒傷患者和癌癥患者，這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用還延伸到美容和化妝品行業(yè)，甚至對(duì)整形外科醫(yī)生也有好處。美容師可以利用 3D 掃描技術(shù)分析客戶的面部特征，并定制注入特定面部和皮膚養(yǎng)生產(chǎn)品的水凝膠面膜。

總體而言，傷口護(hù)理領(lǐng)域通過 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用取得了顯著進(jìn)步。2018 年，維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)率先開發(fā)了一種移動(dòng)皮膚生物打印系統(tǒng)，可將雙層皮膚直接打印到傷口上，根據(jù)傷口的特定尺寸定制組織沉積。澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的科學(xué)家們?cè)?2019 年設(shè)計(jì)了一種 3D 打印定制保護(hù)屏障的方法，這是一種治療燒傷、潰瘍和其他嚴(yán)重傷口的創(chuàng)新解決方案。此外，2018 年，通過多倫多大學(xué)和Sunnybrook Research Institute，沉積均勻的皮膚組織層以覆蓋和治愈深層傷口。這些舉研究表明了3D打印在傷口護(hù)理方面的潛力，可以加快愈合速度并提高患者舒適度，為患者進(jìn)行定制治療。

未來的研究將側(cè)重于增強(qiáng)具有抗菌顆粒的水凝膠，并改善其配方成分，使材料更健康并具有商業(yè)可行性。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.02.021