【科研摘要】

整合了活性物質以治療慢性傷口的先進傷口支架最近已引起廣泛關注。儘管傷口支架和先進的功能先前已被整合到一種醫療裝置中，但無線觸發釋放活性物質仍然是許多研究工作的重點。美國哈佛醫學院Su Ryon Shin、Leonard Siebert，韓國檀國大學Eunjung Lee等研究人員在《Advanced Functional Mateirals》上發表了題為Light‐Controlled Growth Factors Release on Tetrapodal ZnO‐Incorporated 3D‐Printed Hydrogels for Developing Smart Wound Scaffold的論文。科研人員為了結合多種功能，包括光觸發的啟用，防腐，血管生成和保溼特性，開發了一種3D列印的水凝膠貼劑，該貼劑封裝了裝飾有光敏和抗菌四足狀氧化鋅（t-ZnO）微粒的血管內皮生長因子（VEGF）。為了實現VEGF的智慧釋放，透過化學處理對t-ZnO進行了改性，並透過紫外線/可見光對其進行了活化。此過程還將使表面粗糙並改善蛋白質附著力。複合水凝膠的彈性模量和降解行為必須與傷口癒合過程匹配，可透過改變t-ZnO的濃度來進行調整。載有t-ZnO的複合水凝膠可以使用任何所需的微圖案進行印刷，從而有可能建立各種生長因子的模組化洗脫液。載有VEGF的t-ZnO載水凝膠貼片顯示出低細胞毒性和改善的血管生成特性，同時在體外保持抗菌功能。體內測試顯示出印刷傷口貼片的前景可觀，免疫原性降低，傷口癒合增強。

【要點依據】

1）為了實現VEGF的智慧釋放，t-ZnO透過化學處理修飾並透過紫外線/可見光照射啟用。這個過程也會使表面粗糙，提高蛋白質的抵抗力。

2）複合水凝膠的彈性模量和降解行為必須與傷口癒合過程相匹配，可以透過改變t-ZnO濃度來調整。

3）負載-ZnO的複合水凝膠可以列印任何所需的微圖案，以潛在地創造出各種生長因子的取代。

4）VEGF修飾的t -ZnO水凝膠貼片在體外維持抗菌功能的同時顯示出低細胞毒性和改善血管生成特性。體內試驗結果表明，列印的傷口貼片具有良好的效果，具有足夠的 免疫原性和促進傷口癒合。

【圖文解析】

示意圖1中簡要描述了智慧傷口支架的工作原理及其製造。透過火焰傳輸合成，作者獲得了整體尺寸為30–100 µm的t-ZnO微粒。粒子獨特的3D四腳架形狀和高長寬比（直徑：≈100nm–10 µm，長度：≈5–100 µm）使它們難以穿透細胞，同時又使其與周圍介質保持較大的接觸面積。除這些優點外，t-ZnO還具有很強的抗菌作用。結合其半導體特性，它可以成為蛋白質和藥物粘附與釋放的有益平臺。原始的t-ZnO在紫外（UV）範圍內顯示帶隙。為了透過可見光刺激等自然條件提高VEGF的釋放速率，不需要特定的裝置或工具，需要調節t-ZnO微粒使其具有光活性，並使它們能夠對紫外線和相對生物安全的可見光起反應範圍，同時保持其抗菌效能。

示意圖1 智慧傷口支架的製造過程示意圖和傷口癒合過程的工作原理：透過H2O2處理製備t-ZnO微粒，隨後進行VEGF吸附，並使用GelMA預聚物溶液製備複合油墨。在H2O2處理的ZnO微粒上觸發VEGF的光觸發釋放。VEGF包被的t-ZnO可以在傷口處嵌入開放的多孔印刷結構，從而改善血管生成和抗菌活性。

用H2O2處理t-ZnO是改變t-ZnO的表面性質（如蛋白質附著力和光響應性）而不降低t-ZnO的機械完整性的可行選擇。如圖1A所示，透過t-ZnO從白色到淡黃色的顏色變化，可以很容易地識別H2O2處理。透過顯微拉曼光譜研究了H2O2處理將ZnO表面轉化為過氧化鋅（ZnO2），如圖1B所示。未經處理的t-ZnO和經H2O2處理的t-ZnO均在100、440和1140 cm-1處顯示各自的特徵峰。H2O2處理過的t-ZnO在850和1550 cm-1處還有與ZnO2相關的峰，表明從ZnO到ZnO2部分轉化。t-ZnO中某些ZnO峰的存在可能是由於ZnO到ZnO2的不完全轉化，從而有可能維持原始t-ZnO和H2O2處理過的t-ZnO的功能。化學處理的持續時間決定了轉化程度，因此可以根據特定要求調整所需的ZnO2量。透過掃描電子顯微鏡（SEM）評估過氧化氫處理前後的t-ZnO形態，分別如圖1C-i和D-i所示。

圖1 經過化學處理的t-ZnO的調諧光敏特性。

為了開發可保護傷口免受外界環境條件和感染侵害的at-ZnO嵌入式傷口支架，GelMA水凝膠因其吸引人的吸液效能，類似於膠原的生物學特性，透過各種微細加工技術的結構保真度而被用於促進傷口支架的生長，為了防止t-ZnO顆粒在交聯過程中重新聚結或沉澱，在將t-ZnO負載的GelMA預聚物溶液倒入模具中的同時，溫度迅速降低，從而降低了溫度。GelMA預聚物溶液的粘度顯著增加。交聯後，作者觀察到GelMA水凝膠中的大多數t-ZnO顆粒沒有以相等的間隔分佈，但仍顯示出GelMA水凝膠中的t-ZnO顆粒均勻分佈，如圖2A所示。

圖2 負載t-ZnO的水凝膠的機械效能。

透過增加t-ZnO的濃度，複合水凝膠仍保持了原始GelMA水凝膠的多孔性質，而對形態變化沒有任何顯著影響（圖2B）。此外，t-ZnO微粒的四足體臂伸出水凝膠的表面，已被證明可提供出色的抗菌效能，同時支援多孔支架中的細胞生長。在圖2C-i中，作者在複合水凝膠的表面上觀察到大量的四足臂（用紅色箭頭表示）。同樣，經發現，大多數擠出的四足臂，如圖2C-ii中的紅色箭頭所示，都被GelMA水凝膠包被。這些擠壓的四足臂明顯增加了複合水凝膠的表面粗糙度，這是使用原子力顯微鏡（AFM）透過地形圖測得的（圖2D）。

高濃度的GelMA水凝膠（> 5％w/v）具有致密的結構，高濃度的GelMA水凝膠可能在體內和體外引起緩慢的降解行為，並減緩生物分子或藥物的釋放。為了解決這些問題，與本體水凝膠相比，具有開放式多孔微結構的微加工水凝膠具有較大的表面積，可以幫助調節降解速率並實現所需的釋放效能。它們還可以幫助氧氣透過開放的多孔結構將氧氣流到傷口部位，從而改善傷口的癒合效果。為此，開發了3D列印技術以使用複合水凝膠墨水（如t-ZnO嵌入）製造可再現的開放的多孔3D結構。 GelMA水凝膠。在圖3A中示意性地示出了印刷過程。為了防止在四腳架中發生破裂，由於四腳架的形狀複雜且縱橫比高（某些顆粒的直徑最大為0.1 mm），所以使用了較大的噴嘴尺寸（內徑：0.4 mm）。這些措施使列印成功，如圖3B，C所示。

圖3 負載t-ZnO的GelMA水凝膠結構的3D列印。

最佳化列印引數後，對塗有VEGF的t-ZnO的GelMA水凝膠進行了表徵，以研究複合水凝膠表面細胞功能，附著和增殖的可行性（圖4）。 傷口癒合取決於許多因素，例如不同細胞譜系與特定功能的相互作用。人類臍靜脈內皮細胞（HUVEC）是涉及血管生成和傷口癒合的關鍵作用的代表性細胞型別，被培養並接種在頂部水凝膠。C2C12成肌細胞，以前曾用來測量t-ZnO顆粒的細胞毒性，也被用來評估構建體內t-ZnO微粒的細胞相容性。

圖4 VEGF包覆的t-ZnO GelMA水凝膠的體外表徵。

儘管通常在正常面板上發現細菌菌落，但表皮完整性的喪失可能削弱與控制細菌生長有關的機制，並可能促進傷口感染。細菌入侵導致代謝壓力增加和促炎狀態。這導致組織損傷和慢性傷口形成。因此，抗菌質量的實施對於慢性傷口的正確癒合至關重要。t-ZnO的抗菌活性原理如圖5A所示。t-ZnO形成的ROS物種可以提供良好的治療視窗，在該視窗中，抗菌活性，血管生成和傷口癒合都很高。此外，細菌直接接觸可能會直接破壞細菌。如圖2B，C所示，t-ZnO的穿透臂數透過增加微粒濃度而增加，這可能導致不同程度的抗菌活性。

圖5 負載t-ZnO的GelMA水凝膠與t-ZnO粉末相比具有抗菌功能。

進行了皮下體內研究，從生物降解性和與鄰近組織的生物相容性方面評估了生產的水凝膠的生物穩定性（圖6A）。皮下移植後，進行H＆E染色以鑑定水凝膠與其周圍組織之間的反應。由於其良好的生物相容性，未在所有移植的水凝膠附近觀察到包封的纖維組織，這在組織重塑過程中可能是一個問題。尤其是，觀察到含t-ZnO的材料與鄰近組織有良好的連線（圖6B）。大部分水凝膠在移植後4周仍保留。1％VEGF包覆的H2O2/t-ZnO表現出最大的生物降解趨勢（圖6C）。

圖6 使用體內皮下試驗評估VEGF包覆的t-ZnO負載的GelMA水凝膠的生物相容性和血管生成。

參考文獻：doi.org/10.1002/adfm.202007555