3D生物打印纤维素/胶原蛋白基药物释放填充物用于治疗深层隧道伤口

学术背景

深层隧道伤口（tunneling wounds）是一种在皮肤表面下形成的复杂伤口，其形状和大小各异，可能具有扭曲和转弯，使得治疗极为困难。现有的伤口护理解决方案主要针对浅表伤口，而未经治疗的隧道伤口可能导致严重的健康问题。因此，开发一种能够有效填充并促进深层隧道伤口愈合的材料具有重要意义。本研究旨在通过使用天然聚合物（如纤维素和胶原蛋白）制备隧道伤口填充物（Tunnel Wound Fillers, TWFs），以模拟真皮细胞外基质，从而解决这一难题。

论文来源

该研究由Mano Govindharaj、Noura Al Hashimi、Soja S. Soman、Jiarui Zhou、Safeeya Alawadhi和Sanjairaj Vijayavenkataraman共同完成。研究团队来自纽约大学阿布扎比分校的Vijay实验室以及纽约大学坦登工程学院的机械与航空航天工程系。该论文于2024年10月22日在线发表在《Bio-design and Manufacturing》期刊上。

研究流程

1. 纤维素微纤维（CMFs）的提取与胶原蛋白包覆

研究首先从香蕉茎中提取纤维素微纤维（CMFs），并通过化学和机械方法进行纯化。随后，CMFs被鱼皮来源的胶原蛋白包覆，以增强其生物活性。这一步骤通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱进行了验证，确认了胶原蛋白成功包覆在CMFs上。

2. 生物墨水的制备与3D打印

研究团队制备了三种不同CMF含量（25、50和75 mg）的生物墨水，并对其流变学特性进行了测试。结果显示，50 mg CMF含量的墨水具有最佳的3D打印性能。随后，使用RegenHU 3D Discovery生物打印机进行3D打印，制备了三层结构的TWFs。打印后的填充物通过离子交联（使用CaCl₂）进行稳定化处理。

3. 药物释放与细胞负载

TWFs被负载了抗生素药物Baneocin，并通过体外实验测试了其在不同pH条件下的药物释放行为。结果显示，在酸性环境（pH 5）下，药物释放速率显著高于中性环境（pH 7）。此外，TWFs还被负载了人间充质干细胞（hMSCs），并通过Alamar Blue实验和活/死染色验证了细胞的存活和增殖。

4. 体外伤口愈合实验

研究使用小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）进行了划痕实验，评估了TWFs对伤口愈合的促进作用。结果显示，CMF/胶原蛋白/海藻酸钠（alginate）组合的TWFs在48小时内几乎完全覆盖了划痕区域，显示出最佳的伤口愈合效果。

5. 鸡组织模型验证

最后，研究团队在鸡胸组织上创建了深层隧道伤口模型，并将3D打印的TWFs插入伤口中。结果显示，TWFs具有良好的结构稳定性和柔韧性，能够适应伤口的复杂形状，并提供了湿润的环境，有利于伤口愈合。

主要结果

1. CMFs的提取与胶原蛋白包覆：SEM、FTIR和拉曼光谱分析证实了胶原蛋白成功包覆在CMFs上，增强了其生物活性。
2. 生物墨水的流变学特性：50 mg CMF含量的墨水具有最佳的3D打印性能，适合制备TWFs。
3. 药物释放行为：TWFs在酸性环境下表现出更高的药物释放速率，适合在感染性伤口中使用。
4. 细胞存活与增殖：负载hMSCs的TWFs在7天内显示出显著的细胞增殖，表明其具有良好的生物相容性。
5. 体外伤口愈合：CMF/胶原蛋白/海藻酸钠组合的TWFs在48小时内几乎完全覆盖了划痕区域，显示出最佳的伤口愈合效果。
6. 鸡组织模型验证：TWFs能够适应深层隧道伤口的复杂形状，并提供了湿润的环境，有利于伤口愈合。

结论

本研究成功开发了一种基于纤维素和胶原蛋白的三层结构药物释放填充物（TWFs），用于治疗深层隧道伤口。该填充物具有良好的生物相容性、药物释放能力和伤口愈合促进作用。通过3D打印技术，TWFs可以根据伤口的形状和大小进行定制，具有广泛的应用前景。

研究亮点

1. 创新性材料：使用香蕉茎提取的纤维素微纤维和鱼皮来源的胶原蛋白，具有环保和可持续性。
2. 3D打印技术：通过3D打印技术制备的TWFs可以根据伤口的形状和大小进行定制，具有高度的灵活性。
3. 药物释放与细胞负载：TWFs能够负载抗生素药物和干细胞，具有促进伤口愈合和再生的潜力。
4. 体外与体内验证：通过体外实验和鸡组织模型验证了TWFs的有效性和适用性。

研究价值

该研究为深层隧道伤口的治疗提供了一种创新的解决方案，具有重要的科学和应用价值。通过3D打印技术，TWFs可以实现个性化定制，满足不同患者的需求。此外，该研究还为生物材料和组织工程领域提供了新的思路和方法。