近期，来自哈佛大学医学院的Su Ryon Shin教授团队在Advanced Functional Materials发表了文章题为“Light-Controlled Growth Factors Release on Tetrapodal ZnO-Incorporated 3D-Printed Hydrogels for Developing Smart Wound Scaffold”，此研究也作为封面文章刊登在最新一期AFM封面上。团队使用了上普生物3D打印设备BioMaker 3D打印了一种智能伤口修复支架，该支架封装了生长因子，装饰有光敏和抗菌的四脚形氧化锌（t-ZnO）微粒，用于治疗慢性伤口。智能支架的多功能特性与光触发的血管生成因子释放，抗菌特性和组织相容性相结合，可快速恢复伤口。

整合活性物质以治疗慢性伤口的先进伤口支架最近受到了极大的关注。虽然伤口支架和先进的功能以前已被整合到一种医疗器械中，但活性物质的无线触发释放仍然是许多研究工作的重点。为了结合光触发激活、防腐、血管生成和保湿等多种功能，开发了一种封装血管内皮生长因子 (VEGF) 的 3D 打印水凝胶贴片，其中装饰有光敏和抗菌四足氧化锌 (t-ZnO) 微粒。为了实现 VEGF 的智能释放，t-ZnO 通过化学处理进行修饰，并通过紫外/可见光照射激活。这个过程也会使表面粗糙并提高蛋白质的附着力。复合水凝胶的弹性模量和降解行为必须与伤口愈合过程相匹配，通过改变 t-ZnO 浓度来调整。t-ZnO 复合水凝胶可以打印任何所需的微图案，以潜在地创建各种生长因子的模块化洗脱。VEGF 修饰的 t-ZnO 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。体内测试显示打印的伤口贴片具有良好的结果，具有较低的免疫原性和增强的伤口愈合。

慢性炎症是糖尿病的广泛并发症。14-24% 的糖尿病足溃疡可导致截肢，84% 的截肢与极度溃疡有关。慢性伤口通常指的是在三个月内未能愈合的患病组织。因此，治疗对于避免长期炎症的后果和降低全身感染的可能性是重要且必要的。为了确保快速愈合，需结合多种因素的治疗，这些因素包括氧合、感染治疗、水合作用以及生长和增殖相关蛋白的应用。然而，将抗菌特性和适当的血管生成等协同治疗效果纳入一种治疗方法仍然具有挑战性。

本项研究提出了一种基于嵌入GelMA水凝胶中的VEGF修饰和抗菌t-ZnO微粒的智能伤口支架策略。此外，经过化学处理的抗菌t-ZnO微粒可以提供更致密的蛋白质装饰，可以通过绿光刺激释放。打印这些复合水凝胶以提供开放和多孔的3D结构，可以帮助释放VEGF和氧渗透，同时保持水合作用，并通过VEGF修饰的t-ZnO具有抗菌和血管生成功能。文章仔细探讨了支架和 t-ZnO 颗粒的细胞行为、体内生物相容性、伤口愈合行为、抗菌功能、选择性释放特性。

智能伤口支架的制作过程示意图及伤口愈合过程的工作原理：通过H2O2处理制备t-ZnO微粒，随后VEGF吸附，以及与GelMA预聚物溶液的复合墨水。通过3D打印复合水凝胶以提供开放和多孔的贴片状修复支架结构，VEGF 在 H2O2处理过的 ZnO 微粒上的光触发释放。通过在伤口区域嵌入开放多孔印刷结构的 VEGF 涂层 t-ZnO 改善血管生成和抗菌活性。化学处理的 t-ZnO 的可调光活性表征：实验表明微调 ZnO 生物材料的半导体特性是蛋白质粘附的可行策略。利用绿光可以成功地包被和释放VEGF。H2O2处理后可以提高涂层效率和获得更高的表面积，使得材料可以在有效范围内提供合理的释放。

化学处理的 t-ZnO 的可调光活性表征

负载 t-ZnO 的水凝胶的机械性能：为加速伤口愈合，并最大限度地减少疤痕组织的形成，伤口支架的机械特性应与天然皮肤的机械特性相匹配（弹性模量：100-210 kPa）。为了类似于天然皮肤的弹性模量，选择了具有 10% w/v 的高浓度 GelMA 水凝胶，其压缩模量通常大于 50 kPa。而t-ZnO的浓度可以有效地用于确定伸出臂的数量，并且t-ZnO微粒可以使得复合水凝胶的局部机械性能提高。

负载 t-ZnO 的水凝胶的机械性能

3D打印负载 t-ZnO 的GelMA水凝胶：高浓度 GelMA 水凝胶 (> 5% w/v) 具有致密的结构，在高浓度下可能会导致体外和体内的缓慢降解行为，并减缓生物分子或药物的释放。为了解决这些问题，具有大表面积的开放多孔微结构的微加工水凝胶有助于调节降解速率并实现所需的释放行为。它们还可以帮助通过开放的多孔结构将氧气输送到伤口部位，这可以改善伤口愈合。为此，研究者使用3D打印技术将复合水凝胶墨水（例如 t-ZnO 嵌入的 GelMA 水凝胶）制造成可重复的开放多孔 3D 结构。

3D打印负载 t-ZnO 的GelMA水凝胶

研究采用上普生物3D打印机BioMaker制造支架（点击上图了解更多设备细节）VEGF 包被的 t-ZnO GelMA 水凝胶的体外表征：对 VEGF 涂层的 t-ZnO 负载 GelMA 水凝胶进行表征，以研究复合水凝胶表面上细胞功能、附着和增殖的可行性。结果表明，生长因子 VEGF 在内皮细胞增殖、粘附和完整性中起重要作用。浓度为0.5％至1％的VEGF涂覆的t-ZnO水凝胶为内皮细胞生长（伤口愈合过程中涉及的关键细胞谱系）维持了足够的微环境。

VEGF 包被的 t-ZnO GelMA 水凝胶的体外表征

负载 t-ZnO 的水凝胶的抗菌性能：通过实验，研究者认为主要的抗菌机制源于纳米颗粒产生的 ROS。这意味着可以在长期建立细菌定植之前利用 t-ZnO 的抗菌活性进行快速治疗。这些结果表明，载有 t-ZnO 的水凝胶具有潜在的抗菌性能，对伤口愈合的成功有很大影响。

负载 t-ZnO 的水凝胶的抗菌性能

使用体内皮下测试评估 VEGF 涂层的 t-ZnO 负载 GelMA 水凝胶的生物相容性和血管生成：1% t-ZnO-VEGF 尤其显示出更高水平的 CD31 表达。与 2% t-ZnO-VEGF 相比，1% t-ZnO-VEGF 显示出更高的值，表明血管生成在 1% t-ZnO-VEGF 中进一步进行。另外，由于其生物相容性和炎症减少，含有 1% t-ZnO-VEGF 的水凝胶是伤口愈合的更好候选者。

生物相容性和血管生成评价

3D 打印 VEGF 涂层的 t-ZnO 负载 GelMA 水凝胶贴片伤口愈合性能评价：血管生成是伤口修复的一个重要过程，因为它允许血管为组织提供营养和氧气，并促进肉芽组织的形成。血管生成在被具有 1% t-ZnO-VEGF 的支架覆盖的伤口中最为活跃。结果表明，CD31 表达在 1% t-ZnO-VEGF 和其他组之间存在显着差异。众所周知，VEGF是非常重要的生长因子，它能够促进血管生成以促进组织再生。由细胞迁移和血管化缺陷引起的慢性伤口可以通过VEGF治疗治愈。众所周知，锌离子还具有有效的抗菌产生和血管生成加速作用。因此，预期支架中的组分有助于血管生成。从实验结果证明，虽然t-ZnO的存在诱导血管生成，但VEGF的存在显着促进血管生成。

通过 Ki67 染色评估伤口部位的新细胞生长。角质形成细胞、成纤维细胞和内皮细胞等必需细胞的存在和增殖对于伤口重塑的再上皮化非常重要。Ki67在1% t-ZnO-VEGF中似乎具有最高活性。因此，通过体内研究证实，含有 1% t-ZnO-VEGF 的支架可增强伤口部位的抗炎反应、血管生成和细胞增殖，从而实现最快的伤口愈合。

伤口愈合性能评价

此研究展示了一种同时使用材料科学和生物医学工程来治疗慢性伤口的方法。3D打印含有 t-ZnO 微粒的 GelMA 水凝胶可以有效降低细菌浓度，同时促进体外 C2C12 和 HUVEC 的再生长和体内伤口愈合。水凝胶的开放多孔结构及其高含水量使得吸附的血管生成蛋白能够扩散，同时保持机械完整性。交联前凝胶的可印刷性显示出优异的结果，可选择多材料印刷以增强多种生长因子、药物或其他蛋白质的伤口愈合治疗。用 H 2 O 2额外处理 t-ZnO 微粒导致形成高度蛋白质吸附的表面，同时保持其生物医学品质。该处理还允许在 120 秒的持续时间内用光学范围内的光控制释放 VEGF。固定在 t-ZnO 上的 VEGF 为改善内皮细胞生长创造了足够的微环境，同时保持了抗菌活性，这对伤口愈合的成功有很大影响。通过体内研究，我们证实带有 t-ZnO-VEGF 的打印支架显示出足够的生物稳定性，并增强了伤口部位的抗炎反应、血管生成和细胞增殖，从而实现了最快的伤口愈合。所有这些因素结合在一起，使这种方法成为未来智能伤口敷料平台的候选者。

Siebert, L., Luna‐Cerón, E., García‐Rivera, L.E., Oh, J., Jang, J., Rosas‐Gómez, D.A., Pérez‐Gómez, M.D., Maschkowitz, G., Fickenscher, H., Oceguera‐Cuevas, D. and Holguín‐León, C.G., 2021. Light‐Controlled Growth Factors Release on Tetrapodal ZnO‐Incorporated 3D‐Printed Hydrogels for Developing Smart Wound Scaffold. Advanced Functional Materials, p.2007555.

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