摘要
可定制的3D打印生物聚合物水凝胶在糖尿病伤口管理中备受追捧，由于其组成油墨中的物理交联性较弱，因此在临床应用中面临挑战。在这项研究中，巧妙地设计了一种新型壳聚糖基水凝胶墨水，具有致密但可逆的物理交联网络，用于快速原位制备个性化的糖尿病伤口敷料。这种强大的网络是通过独特的羧甲基壳聚糖和纳米粘土之间的多种静电和氢键相互作用建立的，并通过引入酰胺键进一步加强，酰胺键充当双氢键供体/受体。得益于这一网络，低纳米粘土含量的墨水表现出卓越的自支撑特性，无需额外加工即可实现高保真、大规模和复杂的3D打印性能，同时在高压灭菌和活性成分的掺入后基本保留其固有的流变特性。鉴于这些优势，这种多功能3D打印水凝胶可以在糖尿病伤口上快速原位构建。同时，3D打印的水凝胶表现出生物降解性、抗溶胀性和适当的机械性能，以及显着的体外抗菌和促血管生成能力，从而在体内有效治愈糖尿病伤口。这项工作为创造高度自支撑的生物聚合物墨水提供了一种新策略，并为开发先进的个性化伤口敷料铺平了道路。该研究以题为“High Self-Supporting Chitosan-Based Hydrogel Ink for In
Situ 3D Printed Diabetic Wound Dressing” 发表在Advanced Functional Materials上。
背景简介
慢性伤口，尤其是糖尿病溃疡，仍然是临床治疗中的巨大挑战。根据统计报告，到2035年，预计将有超过5.92亿人患有糖尿病，其中约20-25%的糖尿病患者会发展为糖尿病溃疡。为了解决这个问题，已经开发了各种新型伤口敷料来针对糖尿病病症的常见特征，例如易感性感染和血管生成受损。这些伤口敷料以各种形式存在，包括可塑/可注射的水凝胶、海绵膜和补丁，并且通常通过掺入各种药物、生物活性材料或官能团表现出多功能性。然而，随着患者病情的变化，所需的药物或所需的功能也不同，这使得预制的多功能伤口敷料几乎不可能满足所有伤口护理需求。很有希望的是，基于挤压的3D打印通过实现糖尿病伤口敷料的定制和个性化提供了一种有前途的解决方案。
研究概况
在此，通过定制CMC的分子结构并用低剂量的LAP调节其可逆相互作用，我们开发了一种易于加工、高度自支撑的水凝胶墨水，能够原位制造多功能伤口敷料。设计的CMC衍生物羧甲基壳聚糖甲基丙烯酰（CMA）表现出光交联能力，并通过增加的悬垂甲基丙烯酰（MA）基团增强氢键。正如预期的那样，CMA/LAP（CMAL）墨水在密集的弱静电相互作用和氢键的驱动下具有强大但可快速可逆的物理交联网络。该网络促进了各种高保真度的直接3D打印，例如微管制造和多组分或复杂结构的打印。值得注意的是，即使在经过高压灭菌器灭菌后，物理交联网络也在很大程度上得以保留。为了解决糖尿病伤口对感染和血管生成受损的易感性，将纳米银颗粒（AgNPs）和缺氧诱导因子-1α（HIF-1α，VH298）的稳定剂掺入CMAL墨水中。所得的3D打印水凝胶表现出抗菌和促血管生成特性，在体内显示出优异的治疗效果。这些有希望的结果凸显了个性化、原位可打印伤口敷料在高级伤口护理和管理方面的潜力。
图1.示意图显示高自支撑CMAL水凝胶墨水的制造、相互作用和应用示意图。
图2.a)照片和b)不同DSMA和LAP含量的CMAL油墨最大可注射长度的相应定量分析，比例尺= 1 cm。c)CMA3L15油墨的弹性照片。d)CMC、LAP和CMCL15的剪切率扫描。e)不同成分的CMA3L油墨的剪切率扫描。f)频率扫描，g)切线值的损失作为频率的函数。h) G‘和G”作为剪应力的函数。i）不同成分的油墨从低应变（1%）到高应变（500%）的时间扫描。
图3.CMA3L水凝胶3D打印的表征。a)照片和b)CMA3L油墨高度的定量分析。c)照片和d)相应的CMA3L油墨形状可打印性的定量分析。e)基于CMA3L15油墨的复杂体系结构的3D打印。f)CMA3L15水凝胶微管的打印工艺。g)水凝胶微管的染料输注工艺。h)单个水凝胶微管的光学照片。i）中空水凝胶支架的光学照片，包括(i)俯视图和（ii）横截面视图。
图4.CMA和LAP之间的交互。a)CMCL和CMAL油墨及其前体的扫描电镜图像。CMCL15和CMA3L15在水中的降解行为：b)典型照片和c)300 min后的残余干重比。d)不同样品的FT-红外光谱。e)不同样品的Zeta电位。f)通过DFT模拟计算出的静电势：CMC基本单元和CMA基本单元（红色：正电荷；蓝色：负电荷）。g)石与CMA3相互作用构建的分子动力学模拟。
图5.CMAL纳米复合水凝胶的物理性质和表征。a)CMAL纳米复合水凝胶的扫描电镜图像。b)压缩应力-应变曲线，c)压缩模量，d)CMAL纳米复合水凝胶的抗压强度。不同LAP浓度的纳米复合水凝胶在e)水和f) PBS中的重量-溶胀动力学。g)CMAL纳米复合水凝胶的降解行为。
图6.a)灭菌前后CMA3和CMA3L15的代表性图像。b)灭菌前后CMA3的分子量分布。c)cma3和CMA3L15的热稳定性。d）剪切率扫描和e）不同油墨的频率扫描。f)通过在37°C下孵育7d来验证不同水凝胶的无菌性。接种金黄色葡萄球菌的LB肉汤作为对照。g)不同水凝胶的照片。h)平板涂层结果，i)不同水凝胶与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌共培养后的细菌存活率的定量分析。
图7.纳米复合水凝胶的体外生物相容性和生物效率。a)不同水凝胶提取物培养1、3、5d的活力（n = 6，平均± SD）。b)定量分析和c)HUVECs在（0 h）前和在水凝胶条件培养基中培养24 h后的代表性图像。d)定量分析和e)显示不同水凝胶对HUVECs成管的影响的代表性图像。
图8.纳米复合水凝胶在伤口愈合中的应用。a)显示CMA3L15水凝胶墨水在伤口上的原位3D打印潜力的代表性图像。b)使用不同水凝胶愈合伤口从0-17天的时间发展的代表性图像。c)不同愈合时间的伤口大小率。d)采用H&E（上）和Masson染色（下）对每组第17 d的伤口切片进行组织学评价。伤口，新组织。黑色箭头指向附属物、毛囊和皮脂腺，红色箭头表示血管。
图9. 纳米复合水凝胶对伤口愈合中糖酵解和血管生成的影响。a)各组第7d和第17 d再生皮肤组织中HIF-1（绿色）和GLUT1（红色）的免疫荧光染色。b)HIF-1和c) GLUT1的表达定量。d)各组在第7d和第17 d的再生皮肤组织中CD31（绿色）和-SMA（红色）的免疫荧光染色。e)定量CD31+的表达。f)血管成熟指数的计算。
总结与讨论
总之，作者通过提高可逆静电和氢键相互作用的密度提出了一种简单且制备的原位可打印CMAL水凝胶墨水，能够为快速制造个性化糖尿病伤口敷料提供活性成分。由于CMA的两性离子性质（-COOH、-NH2）和富含酰胺的结构，CMA在分子内和LAP表现出密集的弱物理相互作用，导致形成稳健但可快速可逆的物理交联网络。该网络赋予CMAL墨水高度的自支撑能力，无需额外加工即可实现复杂结构的高形状保真度、大规模生产和3D打印，这超越了以前报道的大多数生物聚合物墨水。此外，可逆网络确保在高压灭菌和掺入各种活性成分后，油墨的原始流变特性在很大程度上得以保留。光交联后，水凝胶表现出生物降解性、机械稳健性和抗溶胀性，同时在掺入AgNPs和VH298后还表现出显着的抗菌和体外促血管生成能力。鉴于CMAL的灭菌性、药物递送能力、出色的印刷适性、温和无损的交联模式，设计的3D CMA3L15-ST/Ag/VH凝胶作为个性化和原位可打印的伤口敷料，在体内显示出令人满意的糖尿病伤口愈合。这项工作为制造高度自支撑的生物聚合物墨水提供了一种新策略，并为开发先进的个性化水性伤口敷料铺平了道路。
论文链接（DOI）：
https://doi.org/10.1002/adfm.202414625
来源：纳米医学进展
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