兰州大学口腔医学院: 3D打印压电性水凝胶支架促进伤口愈合

      在伤口缺损修复的漫长过程中,伤口周围的生物电刺激逐渐减弱,导致伤口愈合级联反应逐渐下调,胶原纤维沉积紊乱,细胞外基质(ECM)异常重塑,从而会致使伤口愈合延迟和疤痕组织形成。

为了解决这一问题,来自兰州大学口腔医学院的刘斌/范增杰团队采用3D打印技术制备了一种新型氧化锌(ZnO)纳米粒子改性聚偏氟乙烯(PVDF)/海藻酸钠(SA)压电水凝胶支架(ZPFSA)。相关论文“3D Printed Piezoelectric Wound Dressing with Dual Piezoelectric Response Models for Scar-Prevention Wound Healing”发表于杂志ACS Applied Materials & Interfaces上。

本期谷.专栏将分这一论文中报道的要点。

block 在皮肤创面修复领域具应用前景

      基于已有的研究报道,研究者认为3D打印制备PVDF压电水凝胶既能为伤口愈合提供理想的湿润环境,又能有效减少粘连造成的继发性撕裂伤。另外水凝胶吸收伤口渗出液时垂直方向上体积变大,运动过程中伤口敷料与皮肤之间水平方向产生摩擦,通过垂直和水平压电响应产生稳定的电流,作为外源性电刺激促进伤口愈合。

为了满足上述要求,研究者使用亲水性ZnO纳米粒子改善PVDF的亲水性和极化程度,采用SA提高PVDF的3D打印成型能力,制备了压电水凝胶支架(ZPFSA)。

Lanzhou_ZnO_1图1 ZPFSA压电支架的制备和应用示意图

首先,为了探索了生物墨水的可打印性,研究者对SA、PVDF和ZnO纳米粒子的浓度进行调控,并对不同支架的理化特性进行研究。测试结果表明,SA浓度为6%、PVDF浓度为8%、ZnO纳米粒子的浓度为0.5%时的生物墨水呈现出更好的打印效果。

Lanzhou_ZnO_2图2 ZPFSA压电支架的物理化学特性

随后,研究者通过调整ZnO纳米粒子的浓度改善压电支架的抗菌性能。结果表明,在压电支架中添加ZnO纳米颗粒显着提高了其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗菌能力,与ZnO纳米粒子的浓度呈正相关。结合支架的抗菌性能和打印结果,选择ZPFSA 0.5压电支架进行以下实验。

Lanzhou_ZnO_3图3 ZPFSA压电支架的抗菌测试

接着,研究者评估了ZPFSA支架的压电输出情况。结果表明,ZPFSA 0.5支架的输出电压高于ZPFSA 0和SA,表明ZPFSA 0.5支架具有优异的压电性能,进一步证实了ZnO纳米粒子对PVDF的极化效应。

Lanzhou_ZnO_4图4 不同ZPFSA压电支架的压电测试

为了保证合成材料在人体中安全使用,研究者通过细胞活力和细胞粘附来量化。结果表明,ZPFSA压电支架可以通过电刺激促进成纤维细胞的粘附和生长。并调节它们的形态。MTT结果中,ZPFSA 0和ZPFSA 0.5组的细胞活力超过90%,表明该压电支架具有良好的生物相容性。

Lanzhou_ZnO_5图5 细胞粘附、迁移、增殖活性和生物相容性测试

为了模拟生物电对伤口愈合的作用,研究者使用ZPFSA压电支架产生的微电流促进SD大鼠伤口缺损模型的伤口愈合。结果表明,ZPFSA 0.5组第14天的创面愈合率可达98.74±0.87%,远高于其余各组,证明了ZPFSA压电支架具有出色的伤口愈合功效。

Lanzhou_ZnO_6图6 ZPFSA压电支架的伤口愈合和体表电 

Lanzhou_ZnO_7图7 伤口组织的HE和Masson染色

总而言之,本文采用3D打印技术制备的新型ZPFSA压电支架,创造性地设计和构建了垂直膨胀和水平摩擦双压电释放模型。PVDF作为功能主体,不断地感受到压力,释放出电刺激。SA作为支架网络的支撑体,在吸收伤口渗出液时驱动PVDF结构基团膨胀和伸展。ZnO纳米颗粒均匀分布在支架网络中,以稳定的亲水极化改性PVDF并表现出良好的抗菌性能。

值得注意的是,ZPFSA 0.5表现出良好的生物相容性、抗菌性和压电愈合特性,显著加快了大鼠创面模型的愈合速度,有效防止了瘢痕组织的形成,在皮肤创面修复领域具有广阔的应用前景。


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