雙相納米生物墨水的生物3D打印及其促進糖尿病傷口愈合研究

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當前，糖尿病慢性傷口愈合是重大醫(yī)療難題，其缺氧微環(huán)境因血管損傷和組織氧需求增加所致，嚴重限制ATP生成，阻礙愈合進程。而同時確保氧氣供應與ATP遞送面臨挑戰(zhàn)，因氣體和能量分子擴散速率差異大，難以同步持續(xù)遞送。美國內布拉斯加大學醫(yī)學中心的Jingwei Xie教授團隊合作開發(fā)出3D生物打印的明膠甲基丙烯酰酯/海藻酸鹽雙相納米生物墨水構建體，其具同軸結構，內層含產氧過氧化鈣納米顆粒，外層有釋放ATP的脂質體，通過平衡快速氣體釋放與緩慢ATP擴散，增強缺氧條件下細胞增殖與存活，加速糖尿病傷口愈合。相關工作以“Three-Dimensional Bioprinting of Biphasic Nanobioink for Enhanced Diabetic Wound Healing”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

研究內容
1. 3D生物打印雙相支架的設計與實施，通過設計同軸結構，以GelMA/藻酸鹽為基質，內層含CaO₂納米顆粒、外層含ATP封裝脂質體進行3D生物打印，研究了支架的打印過程、間隙尺寸及形狀調控。結果表明，該支架可通過調節(jié)打印線密度實現(xiàn)不同間隙尺寸，能生成多種定制形狀，滿足個性化醫(yī)學需求。

圖1. 3D生物打印雙相支架的設計與實施。  

2. 納米晶體、脂質體及GelMA的合成與表征，通過PVP導向法合成CaO₂納米晶體，薄膜水化法制備ATP封裝脂質體，以及明膠與甲基丙烯酸酐酯化反應合成GelMA，研究了材料的形貌、尺寸及化學結構。結果顯示，CaO₂納米晶體平均直徑約100 nm，ATP脂質體約150 nm，GelMA成功引入甲基丙烯酰基。

圖2. 納米晶體、脂質體及GelMA的合成與表征。  

3. 生物墨水的機械與生物學性能表征，通過流變學測試、壓縮試驗、釋放動力學分析、降解和腫脹測試及細胞活性測定，研究了不同生物墨水的性能。結果表明，雙相支架具溫度響應性流變特性，氧氣和ATP可持續(xù)釋放約2周，降解率與傷口愈合進程匹配，細胞活性超95%。

圖3. 生物墨水的機械與生物學性能表征。  

4. 缺氧條件下細胞在不同支架上的增殖與活力，在2%氧氣的缺氧環(huán)境中，利用活/死染色和CCK-8法，研究HDF和HaCaT細胞在不同支架上的增殖與活力。結果顯示，雙相支架組細胞密度最高、活力最強，表明其能有效促進缺氧環(huán)境下細胞生長。

圖4. 缺氧條件下細胞在不同支架上的增殖與活力。  

5. II型糖尿病小鼠模型中傷口愈合效果評估，在II型糖尿病小鼠背部制造6mm直徑全層皮膚缺損傷口，用不同支架處理后，通過拍照觀察評估傷口閉合情況。結果表明，雙相支架組在第7天和第14天傷口閉合率最高，愈合速度顯著快于其他組。

圖5. II型糖尿病小鼠模型中傷口愈合效果評估。  

6. 傷口及周圍組織的組織學分析，對不同支架處理的傷口組織進行H&E染色，研究組織再生、表皮形成和真皮整合情況。結果顯示，雙相支架組在第14天幾乎完全再上皮化，表皮連續(xù)、真皮再生密集、炎癥減少。

圖6. 傷口及周圍組織的組織學分析。  

7. 膠原沉積的組織學分析，通過Masson三色染色對傷口組織中膠原沉積進行分析，藍色區(qū)域為膠原。結果表明，雙相支架組膠原沉積密集且均勻，促進傷口愈合和組織再生。

圖7. 膠原沉積的組織學分析。  

8. 不同支架組傷口愈合與上皮再生評估，通過測量上皮舌長度和傷口愈合進度，并計算Cohen’s d值，定量評估不同支架的治療效果。結果顯示，雙相支架組在傷口閉合率和上皮舌長度上均表現(xiàn)最佳，統(tǒng)計顯著性高。

圖8. 不同支架組傷口愈合與上皮再生評估。

研究結論
本研究開發(fā)了一種3D打印雙相支架，其同軸結構在內層和外層分別整合了ATP負載脂質體和CaO₂納米簇，以應對糖尿病傷口的缺氧和能量缺乏問題。該支架的同軸結構實現(xiàn)了氧氣和ATP的同步持續(xù)釋放，有效提升了缺氧條件下的細胞增殖與活力。體內實驗顯示，雙相支架顯著促進了傷口愈合，與其他處理相比，加速了上皮化、膠原沉積和傷口再生。這種多功能方法凸顯了雙相支架在應對復雜傷口微環(huán)境方面的潛力。研究強調了整合先進生物材料與3D生物打印技術以設計個性化治療方案的重要性，為組織工程和再生醫(yī)學的未來應用提供了思路。雙相支架在慢性傷口管理中展現(xiàn)出良好前景，其同軸生物打印策略超越了傳統(tǒng)混合方法，確保了多種治療劑的精確空間分離和同步釋放。

文章來源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01832