复旦大学商珞然课题组报道了一种3D打印天然粘合止血海绵支架，从而实现出血伤口的快速止血和愈合。相关成果以“3D Printing of Naturally Derived Adhesive Hemostatic Sponge”发表在Research上(Research 2024; 7: Article 0446. Doi:https://doi.org/10.34133/research.0446)。
Citation:Zhou M, Yuan T, Shang L. 3D Printing of Naturally Derived Adhesive Hemostatic Sponge. Research 2024; 7: Article 0446.
https://doi.org/10.34133/research.0446
研究背景
皮肤是人体重要的器官，可以感知外界刺激，控制体温，防止组织液流失。因此，伤口愈合一直是人类健康的基础问题，也是临床研究的重要方向。出血控制在全世界的医疗保健中都非常重要。严重创伤后不受控制的出血与高死亡率相关。目前，已经开发了很多种类的止血海绵，其中水凝胶材料的使用表现出多种优势，包括快速止血、使用方便、形态多样等。但合成高分子材料复杂的制备步骤和不确定的生物降解性对其实际应用提出了挑战，并且在生物活性方面仍有增强的潜能以满足组织再生的要求。因此，人们非常期望具有更好的生物活性且制备工艺简单的新型止血海绵。秋葵的高多糖含量使其具有粘性，并赋予凝胶止血特性，即可以在伤口上形成保护层。另外，三七皂苷（PNS）是一种从三七植物中提取的天然化合物，在促进血管生成和伤口愈合方面发挥着关键作用。而3D打印技术能快速制造水凝胶支架，节省时间和劳动力，并对支架的形状和结构进行细致的调控。
研究进展
复旦大学商珞然课题组提出了源自天然物质的3D打印粘合止血海绵（图1）。作者首先将秋葵冷冻干燥并研磨成粉末后再水化，以获得高粘度的秋葵凝胶（图2）。为了优化可打印性，采用明胶作为超分子胶凝剂。秋葵中的的多酚可以作为明胶的交联剂。并通过流变测试证明了明胶-秋葵凝胶的可注射性。并且评估了秋葵凝胶的组织粘附能力。图2E所示，尽管受到扭曲和弯曲，凝胶仍保持其完整性并牢固地粘附在组织上。这些发现验证了明胶-秋葵凝胶在动态环境中作为组织粘合剂的功效。
图1 通过3D打印制备负载三七总皂苷的秋葵-明胶支架用于肝脏止血和皮肤伤口修复的示意图
图2 明胶-秋葵凝胶的流变性和机械性能
鉴于明胶-秋葵凝胶的良好的流变性和粘附特性，作者接下来采用3D打印技术来制造负载三七总皂苷的秋葵支架。具体来说，首先将秋葵粉分散在明胶溶液中，秋葵中的多酚与明胶相互作用形成凝胶。使用可编程3D打印平台，从带有锥形尖端的毛细管装置中挤出水凝胶纤维整齐排列成支架（图3）。
图3 明胶-秋葵支架的表征
随后，作者通过细胞实验，证明了打印支架具有良好的生物相容性以及促进HUVECs细胞迁移的作用。结果表明，与其他组相比，负载三七总皂苷的打印支架组的伤口闭合率加快。此外，还研究了打印支架中药物的释放行为。三七总皂苷可以逐渐从支架上释放。作者推断支架中三七总皂苷的持续释放可以促进血管生成。并通过细胞成管形成实验进行验证，结果显示6小时后，与其他组相比，实验组中的血管样管数量更多（图4）。
图4 负载三七总皂苷打印支架的体外细胞实验
为了研究打印支架的止血作用，作者进行了体外凝血试验。在明胶-秋葵和实验组中，大量血液在管底部形成凝块，表明强烈的血凝反应。在对照组和明胶组中，血液自由流动。各组之间的凝血指数也存在显着差异。这些结果表明，秋葵在体外具有促凝血作用。根据以往的研究，秋葵的止血机制主要涉及血小板活化。为了说明这一点，作者对与全血混合的支架进行了SEM拍摄。相对于血小板处于静止状态的对照组，实验组中的血小板表现出更不规则的刺状形状，表明处于激活状态。
图5 活化血小板的体外凝血测定和SEM
基于此，作者使用大鼠肝脏出血伤口模型研究了负载三七总皂苷打印支架的体内止血能力，如图6所示。在实验组中，出血迅速减少并完全停止，滤纸上的血迹极少。然而，对照组出现了不受控制的出血。值得注意的是，实验组在所有组中表现出最短的止血时间和最少的失血量，证实了秋葵和三七总皂苷的协同凝血作用。
图6 负载三七总皂苷打印支架的体内止血能力
通过组织学分析进一步评估组织再生，如H&E染色结果所示，实验组表现出更厚的再生组织以及更小的伤口边缘（图7）。随后，采用Masson染色来观察伤口部位胶原蛋白的沉积情况（图8）。与其他组相比，实验组显示出更高的胶原蛋白沉积。考虑到三七皂苷在促进血管生成中的已知作用，作者对CD31进行了免疫荧光染色，以评估支架对血管生成的影响。实验组也表现出了最高的CD31表达水平。这些发现共同表明，负载三七总皂苷的打印支架有望通过促进新生血管形成、促进胶原蛋白沉积和减少炎症来极大地改善伤口愈合。
图7 负载三七总皂苷打印支架的体内伤口愈合能力
图8 第11天的伤口组织病理学分析
未来展望
相比人工合成的聚合物，天然产物来源的水凝胶因其可再生性、原料丰富易得、价格低廉、生物相容性好、可降解等特点，成为制备止血水凝胶的首选。并且可以在使用后有效去除，从而最大限度地降低继发出血的风险。而微流控3D生物打印平台可以进一步适应于创建患者特定的伤口敷料，这些敷料具有适合各种伤口类型所需的几何形状、成分和功能。我们相信3D打印天然生物活性水凝胶的方法在生物医学领域将具有巨大的潜在应用。
作者简介
商珞然，研究员，现任复旦大学生物医学研究院研究员、PI、博士生导师，致力于医工交叉相关研究，具体研究方向包括微流控技术、生物传感、药物递送等。
往期回顾
05
11-2024
01
11-2024
添加编辑微信 ｜ 加入科学家社群
和Research主编面对面
验证请写明 姓名+单位哦
