每年全球约有1300万人面临严重的细菌感染威胁。尤其值得关注的是，在COVID-19大流行期间，估计高达95%的肺炎相关死亡是由于继发性肺炎链球菌感染引起的。水凝胶，即高度水合的3D多孔聚合物网络，因其抗菌潜力而备受关注。通过整合抗菌剂（如金属离子或金属基纳米粒子、抗生素）或利用聚合物结构的固有抗菌活性，水凝胶在替代传统抗生素治疗方面展现出巨大潜力。然而，传统水凝胶制造难以满足不同生理和病理结构所需的预先设计的几何形状。
过去几十年间，科学家们利用各种3D打印技术开发出具有复杂结构和功能特性的水凝胶，优化抗菌性能并满足患者个人定制化的设计需求。光辅助3D打印技术（如立体光刻 (SLA) 和数字光处理 (DLP)）在生产和制造高分辨率、具备特定特性和功能的抗菌水凝胶方面展现出巨大潜力。这些具有定制结构和抗菌功能的3D打印水凝胶被广泛应用于组织工程、再生医学、伤口愈合和植入物，极大推动疾病的建模和治疗。
昆士兰大学的乔瑞瑞和Thomas Davis团队系统性论述了当前最先进的光辅助3D打印技术制造的抗菌水凝胶及其应用。首先，他们介绍了各种光辅助3D打印技术的基本原理及其优缺点。然后，描述了利用这些技术开发天然和合成水凝胶的进展，并强调了它们的抗菌作用。特别关注通过整合无机纳米颗粒、抗生素和功能性聚合物等各种策略来增强3D打印水凝胶抗菌效果。最后，探讨了基于人工智能的新型增材制造技术的未来前景，旨在为下一代抗菌水凝胶在组织工程和再生医学领域的应用潜力奠定基础。
图1：总结主要光辅助3D打印技术的优缺点。
如图1所示，光辅助 3D 打印系统能够通过对树脂局部光聚合进行精确的时空控制，生产出具有各种几何复杂性的物体。光辅助 3D 打印技术已应用于电子、生物工程、药物输送和抗菌治疗等各个领域。例如，在抗菌领域，该技术还支持具有抗菌特性的物品的生产，这对于制造最大限度减少细菌生长和降低感染风险的医疗设备和医院设备非常重要。
图2：探讨了利用光辅助 3D 打印技术制造具有抗菌特性的天然和合成水凝胶，并强调了将无机纳米材料、抗生素和功能聚合物整合到 3D 打印水凝胶中以提高抗菌功效。
除了天然的抗菌水凝胶之外，大多数水凝胶本身通常缺乏固有的抗菌性。如图2所示，研究人员归纳了由水凝胶与金属离子、金属基无机纳米材料、抗生素和抗菌聚合物结合而成的水凝胶复合材料，以增强其抗菌特性。例如，银纳米颗粒因其广谱抗菌活性而被广泛研究；而铜离子则展示了优异的抗菌效果，同时具有良好的生物相容性。此外，向水凝胶中加入聚合物或纳米颗粒不仅可以显著改善其机械性能，例如提高强度和刚度，还可以通过化学或物理交联作用赋予水凝胶独特的刺激响应行为。这种响应行为使得水凝胶在遇到特定环境条件（如温度、pH值或光照）时能够发生形状或功能上的变化，从而进一步增强其在抗菌和生物医疗应用中的适用性。
最后，作者提出了一些未来的发展方向，将人工智能和机器学习算法融入3D打印水凝胶领域，可以彻底革新打印参数和配方的设计。通过人工智能和机器学习，利用其识别复杂的模式和关系，进而优化抗菌水凝胶的制造过程中的相关3D打印参数。这种数据驱动的方法不仅加速了新树脂的设计和开发过程，同时也确保了其打印精度和抗菌功效。总之，随着人工智能和机器学习在3D打印水凝胶领域的应用不断深入，我们有望看到更加智能和高效的抗菌材料的出现，从而为应对细菌感染和提升医疗水平提供新的解决方案。
该项目获得中国科学院-昆士兰州合作科学基金 (QCAS2022016)的资助，谨此感谢。
论文信息：
Light-Assisted 3D-Printed Hydrogels for Antibacterial Applications
Liwen Zhang, Naufal Kabir Ahamed Nasar, Xumin Huang, Chenyang Hu, Xuan Pang, Xuesi Chen, Ruirui Qiao*, Thomas Paul Davis*
Small Science
DOI: 10.1002/smsc.202400097
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