高自支撐殼聚糖基水凝膠墨水用于原位 3D 打印糖尿病傷口敷料的研究

來源：EFL生物3D打印與生物制造

糖尿病傷口愈合面臨感染易感性高、血管生成障礙及個性化敷料缺乏等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)預(yù)制敷料難以滿足不同患者的復(fù)雜需求。3D打印技術(shù)雖具定制化潛力，但現(xiàn)有生物聚合物墨水普遍存在自支撐能力不足的問題，需依賴溫度控制、懸浮浴支撐或額外交聯(lián)劑，導(dǎo)致打印效率低、結(jié)構(gòu)保真度差，且活性成分易早期釋放。   

針對上述痛點(diǎn)，華南理工大學(xué)王小英教授與暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院張還添教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高自支撐殼聚糖基水凝膠墨水（CMAL）。該墨水通過羧甲基殼聚糖（CMA）與納米黏土（LAP）間的多重靜電作用和氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建可逆物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)，并引入甲基丙烯?；鶊F(tuán)實(shí)現(xiàn)光交聯(lián)。僅需0.5%-2%的低納米黏土含量，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如微管、人體器官模型）的高保真打印，無需額外支撐。通過負(fù)載銀納米顆粒（AgNPs）和缺氧誘導(dǎo)因子-1α穩(wěn)定劑（VH298），所得3D打印敷料兼具抗菌（對大腸桿菌殺菌率100%）和促血管生成功能，顯著加速糖尿病小鼠傷口愈合（17天完全愈合，伴隨毛囊和血管新生）。   

相關(guān)工作以“High Self㏒upporting Chitosan〣ased Hydrogel Ink for In Situ 3D Printed Diabetic Wound Dressing”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。廣東藥科大學(xué)黎珊珊、暨南大學(xué)許一迪和華南理工大學(xué)鄭璐為論文的共同第一作者，王小英教授為通訊作者，暨南大學(xué)張還添教授為共同通訊。該研究為糖尿病傷口的個性化治療提供了新策略，推動了原位打印生物敷料的臨床轉(zhuǎn)化。

1. CMAL水凝膠墨水的制備與可打印性評估，通過流變學(xué)測試、擠出長度測量和網(wǎng)格打印實(shí)驗(yàn)，研究了不同甲基丙烯酰取代度（DSₘₐ）和納米黏土（LAP）含量對羧甲基殼聚糖/納米黏土（CMA/LAP）墨水可打印性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)DSₘₐ為40.1%、LAP濃度15 mg/mL時（CMA₃L₁₅），墨水?dāng)D出長度達(dá)18.8 cm，打印2 cm高空心圓柱的高度保真度γ≈1，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形狀保真度θ≈1，展現(xiàn)出優(yōu)異的自支撐能力和形狀保持性，且經(jīng)高壓滅菌后仍維持高黏度和模量。      

圖1. CMAL墨水的擠出性能與打印保真度分析。   

2. CMA與LAP的相互作用機(jī)制，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉紅外光譜（FTIR）、zeta電位和分子動力學(xué)模擬，研究了CMA與LAP之間的物理交聯(lián)機(jī)制。結(jié)果表明，CMA的羧基、氨基與LAP的正負(fù)電荷表面通過靜電作用結(jié)合，甲基丙烯?；鶊F(tuán)引入的酰胺鍵增強(qiáng)了氫鍵網(wǎng)絡(luò)，形成致密可逆交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。CMA₃L₁₅在水中5小時剩余干重74.5%，顯著高于未改性殼聚糖/納米黏土墨水（15.6%），證實(shí)其網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。      

圖2. CMA與LAP的界面相互作用表征。   

3. 3D打印CMAL水凝膠的物理性能，通過壓縮測試、溶脹率和降解實(shí)驗(yàn)，研究了LAP含量對水凝膠力學(xué)性能和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，CMA₃L₁₅的壓縮模量為1.3 MPa，在 PBS 中平衡溶脹率<1.2，具有抗溶脹特性；經(jīng)溶菌酶處理28天，降解率為26.7%，顯示可控降解能力。該水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)（孔徑>200 μm）有利于細(xì)胞黏附和營養(yǎng)傳輸。      

圖3. CMAL水凝膠的力學(xué)性能與降解行為。   

4. 多功能3D打印敷料的構(gòu)建與抗菌性能，通過光交聯(lián)集成銀納米顆粒（AgNPs）和VH298，制備了抗菌促血管生成的CMAL-ST/VH/Ag水凝膠。平板涂布法顯示，該敷料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率分別為100%和99.96%，銀離子釋放呈現(xiàn)“快速釋放-持續(xù)緩釋”雙相模式（4小時釋放16.4%），確保即時抗菌和長期抑菌效果。      

圖4. 多功能CMAL水凝膠的抗菌性能測試。   

5. CMAL水凝膠的體內(nèi)傷口愈合效果，通過糖尿病小鼠全層皮膚缺損模型，研究了3D打印CMAL-ST/VH/Ag敷料的促愈合能力。結(jié)果表明，該敷料組傷口在17天完全閉合，較對照組愈合速度提升50%，組織學(xué)染色顯示大量新生血管、膠原沉積和皮膚附件（毛囊、皮脂腺）形成，HIF-1α和GLUT1表達(dá)上調(diào)，證實(shí)其通過調(diào)節(jié)糖代謝和血管生成加速愈合。      

圖5. 3D打印敷料在糖尿病傷口愈合中的體內(nèi)效果。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種高自支撐殼聚糖基水凝膠墨水（CMAL），其通過羧甲基殼聚糖與納米黏土間的致密可逆物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（靜電作用與氫鍵），實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的原位3D打印。該墨水僅需0.5%–2%的低納米黏土含量，即可在無需額外支撐的情況下打印高保真度（線性收縮率<10%）的微管、器官模型等復(fù)雜架構(gòu)，且經(jīng)高壓滅菌后仍保留流變性能。負(fù)載銀納米顆粒與VH298的3D打印敷料兼具高效抗菌（大腸桿菌殺菌率100%）和促血管生成能力，可顯著加速糖尿病小鼠傷口愈合，17天內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全上皮化，伴隨毛囊、血管等皮膚附件再生。機(jī)制上，甲基丙烯酰基團(tuán)增強(qiáng)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)與納米黏土的離子釋放協(xié)同促進(jìn)細(xì)胞黏附與能量代謝。本研究為糖尿病傷口的個性化治療提供了兼具定制化、抗菌性和生物相容性的新型策略，推動了3D打印生物敷料在臨床場景中的實(shí)際應(yīng)用。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202414625