高自支撑壳聚糖基水凝胶墨水用于原位 3D 打印糖尿病伤口敷料的研究

来源：EFL生物3D打印与生物制造

糖尿病伤口愈合面临感染易感性高、血管生成障碍及个性化敷料缺乏等挑战，传统预制敷料难以满足不同患者的复杂需求。3D打印技术虽具定制化潜力，但现有生物聚合物墨水普遍存在自支撑能力不足的问题，需依赖温度控制、悬浮浴支撑或额外交联剂，导致打印效率低、结构保真度差，且活性成分易早期释放。   

针对上述痛点，华南理工大学王小英教授与暨南大学附属第一医院张还添教授团队开发了一种高自支撑壳聚糖基水凝胶墨水（CMAL）。该墨水通过羧甲基壳聚糖（CMA）与纳米黏土（LAP）间的多重静电作用和氢键网络构建可逆物理交联结构，并引入甲基丙烯酰基团实现光交联。仅需0.5%-2%的低纳米黏土含量，即可实现复杂结构（如微管、人体器官模型）的高保真打印，无需额外支撑。通过负载银纳米颗粒（AgNPs）和缺氧诱导因子-1α稳定剂（VH298），所得3D打印敷料兼具抗菌（对大肠杆菌杀菌率100%）和促血管生成功能，显著加速糖尿病小鼠伤口愈合（17天完全愈合，伴随毛囊和血管新生）。   

相关工作以“High Self㏒upporting Chitosan〣ased Hydrogel Ink for In Situ 3D Printed Diabetic Wound Dressing”为题发表于《Advanced Functional Materials》。广东药科大学黎珊珊、暨南大学许一迪和华南理工大学郑璐为论文的共同第一作者，王小英教授为通讯作者，暨南大学张还添教授为共同通讯。该研究为糖尿病伤口的个性化治疗提供了新策略，推动了原位打印生物敷料的临床转化。

1. CMAL水凝胶墨水的制备与可打印性评估，通过流变学测试、挤出长度测量和网格打印实验，研究了不同甲基丙烯酰取代度（DSₘₐ）和纳米黏土（LAP）含量对羧甲基壳聚糖/纳米黏土（CMA/LAP）墨水可打印性的影响。结果表明，当DSₘₐ为40.1%、LAP浓度15 mg/mL时（CMA₃L₁₅），墨水挤出长度达18.8 cm，打印2 cm高空心圆柱的高度保真度γ≈1，网格结构形状保真度θ≈1，展现出优异的自支撑能力和形状保持性，且经高压灭菌后仍维持高黏度和模量。      

图1. CMAL墨水的挤出性能与打印保真度分析。   

2. CMA与LAP的相互作用机制，通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、zeta电位和分子动力学模拟，研究了CMA与LAP之间的物理交联机制。结果表明，CMA的羧基、氨基与LAP的正负电荷表面通过静电作用结合，甲基丙烯酰基团引入的酰胺键增强了氢键网络，形成致密可逆交联网络。CMA₃L₁₅在水中5小时剩余干重74.5%，显著高于未改性壳聚糖/纳米黏土墨水（15.6%），证实其网络稳定性。      

图2. CMA与LAP的界面相互作用表征。   

3. 3D打印CMAL水凝胶的物理性能，通过压缩测试、溶胀率和降解实验，研究了LAP含量对水凝胶力学性能和稳定性的影响。结果表明，CMA₃L₁₅的压缩模量为1.3 MPa，在 PBS 中平衡溶胀率<1.2，具有抗溶胀特性；经溶菌酶处理28天，降解率为26.7%，显示可控降解能力。该水凝胶的多孔结构（孔径>200 μm）有利于细胞黏附和营养传输。      

图3. CMAL水凝胶的力学性能与降解行为。   

4. 多功能3D打印敷料的构建与抗菌性能，通过光交联集成银纳米颗粒（AgNPs）和VH298，制备了抗菌促血管生成的CMAL-ST/VH/Ag水凝胶。平板涂布法显示，该敷料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别为100%和99.96%，银离子释放呈现“快速释放-持续缓释”双相模式（4小时释放16.4%），确保即时抗菌和长期抑菌效果。      

图4. 多功能CMAL水凝胶的抗菌性能测试。   

5. CMAL水凝胶的体内伤口愈合效果，通过糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型，研究了3D打印CMAL-ST/VH/Ag敷料的促愈合能力。结果表明，该敷料组伤口在17天完全闭合，较对照组愈合速度提升50%，组织学染色显示大量新生血管、胶原沉积和皮肤附件（毛囊、皮脂腺）形成，HIF-1α和GLUT1表达上调，证实其通过调节糖代谢和血管生成加速愈合。      

图5. 3D打印敷料在糖尿病伤口愈合中的体内效果。

研究结论
本研究开发了一种高自支撑壳聚糖基水凝胶墨水（CMAL），其通过羧甲基壳聚糖与纳米黏土间的致密可逆物理交联网络（静电作用与氢键），实现了复杂结构的原位3D打印。该墨水仅需0.5%–2%的低纳米黏土含量，即可在无需额外支撑的情况下打印高保真度（线性收缩率<10%）的微管、器官模型等复杂架构，且经高压灭菌后仍保留流变性能。负载银纳米颗粒与VH298的3D打印敷料兼具高效抗菌（大肠杆菌杀菌率100%）和促血管生成能力，可显著加速糖尿病小鼠伤口愈合，17天内实现完全上皮化，伴随毛囊、血管等皮肤附件再生。机制上，甲基丙烯酰基团增强的氢键网络与纳米黏土的离子释放协同促进细胞黏附与能量代谢。本研究为糖尿病伤口的个性化治疗提供了兼具定制化、抗菌性和生物相容性的新型策略，推动了3D打印生物敷料在临床场景中的实际应用。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202414625