助力3D生物打印-基于3D打印的纖維素水凝膠在真菌性角膜潰瘍修復中的應(yīng)用

背景介紹

真菌性角膜炎是角膜潰瘍的主要原因，也是導致眼睛相關(guān)疾病和失明的主要因素。這種疾病可能引發(fā)嚴重的感染，導致視力喪失。由于強烈的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和非定向修復過程，角膜白斑等疤痕很容易形成，從而降低了角膜的透明度，嚴重影響視力和生活質(zhì)量。目前，治療真菌性角膜炎的方法包括藥物治療和手術(shù)干預。常用的藥物包括兩性霉素B和氟康唑，但由于藥物毒性而存在一定的局限性。手術(shù)干預通常涉及角膜移植，然而，這種手術(shù)復雜度高，術(shù)后并發(fā)癥風險較大。因此，開發(fā)一種具有多功能性的水凝膠系統(tǒng)來治療真菌性角膜炎、減少白斑并促進愈合顯得尤為重要。然而，目前許多水凝膠系統(tǒng)存在一些不足之處，例如通常表現(xiàn)出單一的功能缺乏對角膜潰瘍愈合過程的干預，無法充分解決抗真菌、抗炎、定向修復角膜基質(zhì)層、抑制白斑形成等問題。另外，對角膜獨特的膠原纖維定向排列的忽視也可能影響治療效果。因此，開發(fā)一種新型的多功能水凝膠系統(tǒng)，能夠整合抗真菌、抗炎和定向修復等特性，并考慮角膜膠原纖維的排列情況，將有望對真菌性角膜炎的治療帶來重要的突破。

相關(guān)成果近期發(fā)表在國際生物醫(yī)學領(lǐng)域知名期刊Bioactive Materials，題為“定向纖維素水凝膠：用于減少角膜白斑和治療真菌性角膜潰瘍的定向組織再生研究”(Oriented Cellulose Hydrogel: Directed Tissue Regeneration for Reducing Corneal Leukoplakia and Managing Fungal Corneal Ulcers)。本論文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院孫偉教授，彌勝利教授，北京大學第三醫(yī)院眼科馮云教授。論文第一作者為董麗娜博士和范梓欣博士。

該研究團隊構(gòu)建了一種新型3D打印多功能水凝膠系統(tǒng)，通過整合抗真菌、抗炎和定向修復特性來治療真菌性角膜炎、減少白斑并促進愈合。此外，我們還深入研究了抑制白斑的生物學機制?；跀D出式生物3D打印機（SunP CPD1/ BioMaker，上普博源公司）制備了定向纖維素水凝膠系統(tǒng)，通過形成粘著斑與角膜基質(zhì)細胞外基質(zhì)相互作用，誘導角膜基質(zhì)正交定向修復；并且深入研究了減小角膜白斑的機制，如模仿膠原纖維正交排列，抑制炎癥、消除活性氧、減少角膜白斑等信號通路研究。

技術(shù)路線圖

圖一. 3D打印水凝膠系統(tǒng)合成示意圖。

實驗結(jié)果
水凝膠制備及其表征該3D打印纖維素水凝膠合成示意圖如圖一所示，通過羥基酯化反應(yīng)用甲基丙烯酸酯對羧甲基纖維素進行功能化，使得水凝膠材料具備紫外響應(yīng)的原位凝膠化能力。鑒于單一網(wǎng)絡(luò)水凝膠的[color=var(--weui-LINK)]固有穩(wěn)定性不足，引入了通過氫鍵形成的透明質(zhì)酸-單寧酸水凝膠網(wǎng)絡(luò)。另外，為了賦予水凝膠抗氧化和抗真菌性能引入了銅基納米酶。

圖二. 不同配比水凝膠的相關(guān)表征及納米酶的電鏡圖和元素分析結(jié)果

真菌性角膜潰瘍的體內(nèi)治療效果為了研究3D打印水凝膠在真菌性角膜潰瘍中的治療效果，在大鼠模型中進行了連續(xù)7天的實驗。在感染白色念珠菌后，角膜表現(xiàn)為潰瘍、基質(zhì)水腫、基質(zhì)混濁和新生血管化。從治療后的第1天到第7天，4個治療組的情況逐步改善，潰瘍愈合，混濁區(qū)域減少，新生血管回退，特別是在定向水凝膠治療組中效果明顯。

圖三. 3D打印水凝膠系統(tǒng)在真菌性角膜潰瘍大鼠模型中治療示意圖及不同處理下的眼表情況

圖四.水凝膠定向修復角膜基質(zhì)及其抗氧化、抗真菌治療的機制圖

實驗總結(jié)

該研究通過3D打印擠出過程制備纖維素水凝膠，實現(xiàn)微觀和宏觀尺度的定向纖維排列。展示了納米酶-纖維素水凝膠系統(tǒng)的抗真菌功能，并為真菌性角膜炎的治療提供了新的方法。并且研究了角膜白斑形成的機制及基質(zhì)細胞的定向遷移，以減小角膜白斑?？傊?D打印纖維素水凝膠系統(tǒng)模擬了膠原纖維的正交排列，抑制了炎癥，消除了活性氧，減少角膜白斑，在真菌性角膜潰瘍的治療中具有重要意義，并有望在角膜組織工程領(lǐng)域開啟新的篇章。

參考文獻

Dong, Lina, Zixin Fan, Bixing Fang, Xiaoyu Zhao, Hongyi Yao, Gangpei Cai, Shuo Yang, Guoming Zhang, Xiaoqi Cheng, Yun Feng*, Shengli Mi*, and Wei Sun*. Oriented Cellulose Hydrogel: Directed Tissue Regeneration for Reducing Corneal Leukoplakia and Managing Fungal Corneal Ulcers. Bioactive Materials. 2024, 41, 15-29.

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2452199X24002688