哈佛医学院:四脚形氧化锌基3D打印抗菌水凝胶,光控智能伤口支架

3D打印科研前沿
2021
02/22
09:27
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来源:水凝胶

整合了活性物质以治疗慢性伤口的先进伤口支架最近已引起广泛关注。尽管伤口支架和先进的功能先前已被整合到一种医疗设备中,但无线触发释放活性物质仍然是许多研究工作的重点。美国哈佛医学院Su Ryon Shin、Leonard Siebert,韩国檀国大学Eunjung Lee等研究人员在《Advanced Functional Mateirals》上发表了题为LightControlled Growth Factors Release on Tetrapodal ZnOIncorporated 3DPrinted Hydrogels for Developing Smart Wound Scaffold的论文。科研人员为了结合多种功能,包括光触发的激活,防腐,血管生成和保湿特性,开发了一种3D打印的水凝胶贴剂,该贴剂封装了装饰有光敏和抗菌四足状氧化锌(t-ZnO)微粒的血管内皮生长因子(VEGF)。为了实现VEGF的智能释放,通过化学处理对t-ZnO进行了改性,并通过紫外线/可见光对其进行了活化。此过程还将使表面粗糙并改善蛋白质附着力。复合水凝胶的弹性模量和降解行为必须与伤口愈合过程匹配,可通过改变t-ZnO的浓度来进行调整。载有t-ZnO的复合水凝胶可以使用任何所需的微图案进行印刷,从而有可能创建各种生长因子的模块化洗脱液。载有VEGF的t-ZnO载水凝胶贴片显示出低细胞毒性和改善的血管生成特性,同时在体外保持抗菌功能。体内测试显示出印刷伤口贴片的前景可观,免疫原性降低,伤口愈合增强。
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要点依据
1)为了实现VEGF的智能释放,t-ZnO通过化学处理修饰并通过紫外线/可见光照射激活。这个过程也会使表面粗糙,提高蛋白质的抵抗力。
2)复合水凝胶的弹性模量和降解行为必须与伤口愈合过程相匹配,可以通过改变t-ZnO浓度来调整。
3)负载-ZnO的复合水凝胶可以打印任何所需的微图案,以潜在地创造出各种生长因子的取代。
4)VEGF修饰的t -ZnO水凝胶贴片在体外维持抗菌功能的同时显示出低细胞毒性和改善血管生成特性。体内试验结果表明,打印的伤口贴片具有良好的效果,具有足够的 免疫原性和促进伤口愈合。

示意图1中简要描述了智能伤口支架的工作原理及其制造。通过火焰传输合成,作者获得了整体尺寸为30–100 m的t-ZnO微粒。粒子独特的3D四脚架形状和高长宽比(直径:≈100nm–10 m,长度:≈5–100 m)使它们难以穿透细胞,同时又使其与周围介质保持较大的接触面积。除这些优点外,t-ZnO还具有很强的抗菌作用。结合其半导体特性,它可以成为蛋白质和药物粘附与释放的有益平台。原始的t-ZnO在紫外(UV)范围内显示带隙。为了通过可见光刺激等自然条件提高VEGF的释放速率,不需要特定的设备或工具,需要调节t-ZnO微粒使其具有光活性,并使它们能够对紫外线和相对生物安全的可见光起反应范围,同时保持其抗菌性能。
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示意图1智能伤口支架的制造过程示意图和伤口愈合过程的工作原理:通过H2O2处理制备t-ZnO微粒,随后进行VEGF吸附,并使用GelMA预聚物溶液制备复合油墨。在H2O2处理的ZnO微粒上触发VEGF的光触发释放。VEGF包被的t-ZnO可以在伤口处嵌入开放的多孔印刷结构,从而改善血管生成和抗菌活性。

用H2O2处理t-ZnO是改变t-ZnO的表面性质(如蛋白质附着力和光响应性)而不降低t-ZnO的机械完整性的可行选择。如图1A所示,通过t-ZnO从白色到淡黄色的颜色变化,可以很容易地识别H2O2处理。通过显微拉曼光谱研究了H2O2处理将ZnO表面转化为过氧化锌(ZnO2),如图1B所示。未经处理的t-ZnO和经H2O2处理的t-ZnO均在100、440和1140 cm-1处显示各自的特征峰。H2O2处理过的t-ZnO在850和1550 cm-1处还有与ZnO2相关的峰,表明从ZnO到ZnO2部分转化。t-ZnO中某些ZnO峰的存在可能是由于ZnO到ZnO2的不完全转化,从而有可能维持原始t-ZnO和H2O2处理过的t-ZnO的功能。化学处理的持续时间决定了转化程度,因此可以根据特定要求调整所需的ZnO2量。通过扫描电子显微镜(SEM)评估过氧化氢处理前后的t-ZnO形态,分别如图1C-i和D-i所示。

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图1经过化学处理的t-ZnO的调谐光敏特性。

为了开发可保护伤口免受外界环境条件和感染侵害的at-ZnO嵌入式伤口支架,GelMA水凝胶因其吸引人的吸液性能,类似于胶原的生物学特性,通过各种微细加工技术的结构保真度而被用于促进伤口支架的生长,为了防止t-ZnO颗粒在交联过程中重新聚结或沉淀,在将t-ZnO负载的GelMA预聚物溶液倒入模具中的同时,温度迅速降低,从而降低了温度。GelMA预聚物溶液的粘度显着增加。交联后,作者观察到GelMA水凝胶中的大多数t-ZnO颗粒没有以相等的间隔分布,但仍显示出GelMA水凝胶中的t-ZnO颗粒均匀分布,如图2A所示。

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图2负载t-ZnO的水凝胶的机械性能。

通过增加t-ZnO的浓度,复合水凝胶仍保持了原始GelMA水凝胶的多孔性质,而对形态变化没有任何显着影响(图2B)。此外,t-ZnO微粒的四足体臂伸出水凝胶的表面,已被证明可提供出色的抗菌性能,同时支持多孔支架中的细胞生长。在图2C-i中,作者在复合水凝胶的表面上观察到大量的四足臂(用红色箭头表示)。同样,经发现,大多数挤出的四足臂,如图2C-ii中的红色箭头所示,都被GelMA水凝胶包被。这些挤压的四足臂明显增加了复合水凝胶的表面粗糙度,这是使用原子力显微镜(AFM)通过地形图测得的(图2D)。

高浓度的GelMA水凝胶(> 5%w/v)具有致密的结构,高浓度的GelMA水凝胶可能在体内和体外引起缓慢的降解行为,并减缓生物分子或药物的释放。为了解决这些问题,与本体水凝胶相比,具有开放式多孔微结构的微加工水凝胶具有较大的表面积,可以帮助调节降解速率并实现所需的释放性能。它们还可以帮助氧气通过开放的多孔结构将氧气流到伤口部位,从而改善伤口的愈合效果。为此,开发了3D打印技术以使用复合水凝胶墨水(如t-ZnO嵌入)制造可再现的开放的多孔3D结构。 GelMA水凝胶。在图3A中示意性地示出了印刷过程。为了防止在四脚架中发生破裂,由于四脚架的形状复杂且纵横比高(某些颗粒的直径最大为0.1 mm),所以使用了较大的喷嘴尺寸(内径:0.4 mm)。这些措施使打印成功,如图3B,C所示。

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图3 负载t-ZnO的GelMA水凝胶结构的3D打印。

优化打印参数后,对涂有VEGF的t-ZnO的GelMA水凝胶进行了表征,以研究复合水凝胶表面细胞功能,附着和增殖的可行性(图4)。 伤口愈合取决于许多因素,例如不同细胞谱系与特定功能的相互作用。人类脐静脉内皮细胞(HUVEC)是涉及血管生成和伤口愈合的关键作用的代表性细胞类型,被培养并接种在顶部水凝胶。C2C12成肌细胞,以前曾用来测量t-ZnO颗粒的细胞毒性,也被用来评估构建体内t-ZnO微粒的细胞相容性。

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图4 VEGF包覆的t-ZnO GelMA水凝胶的体外表征。

尽管通常在正常皮肤上发现细菌菌落,但表皮完整性的丧失可能削弱与控制细菌生长有关的机制,并可能促进伤口感染。细菌入侵导致代谢压力增加和促炎状态。这导致组织损伤和慢性伤口形成。因此,抗菌质量的实施对于慢性伤口的正确愈合至关重要。t-ZnO的抗菌活性原理如图5A所示。t-ZnO形成的ROS物种可以提供良好的治疗窗口,在该窗口中,抗菌活性,血管生成和伤口愈合都很高。此外,细菌直接接触可能会直接破坏细菌。如图2B,C所示,t-ZnO的穿透臂数通过增加微粒浓度而增加,这可能导致不同程度的抗菌活性。

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图5负载t-ZnO的GelMA水凝胶与t-ZnO粉末相比具有抗菌功能。

进行了皮下体内研究,从生物降解性和与邻近组织的生物相容性方面评估了生产的水凝胶的生物稳定性(图6A)。皮下移植后,进行H&E染色以鉴定水凝胶与其周围组织之间的反应。由于其良好的生物相容性,未在所有移植的水凝胶附近观察到包封的纤维组织,这在组织重塑过程中可能是一个问题。尤其是,观察到含t-ZnO的材料与邻近组织有良好的连接(图6B)。大部分水凝胶在移植后4周仍保留。1%VEGF包覆的H2O2/t-ZnO表现出最大的生物降解趋势(图6C)。

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图6使用体内皮下试验评估VEGF包覆的t-ZnO负载的GelMA水凝胶的生物相容性和血管生成。
参考文献:doi.org/10.1002/adfm.202007555



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