温敏型聚磷腈生物墨水3D打印支架递送抗氧化剂与成纤维细胞加速糖尿病创面愈合
Jisun Kim, Jiyeon Lee, Jung-Kyo Cho, Ki Wan Bong, Soo-Chang Song | Biomaterials Research 2025 | DOI: 10.34133/bmr.0216
标签: #3D生物打印 #温敏水凝胶 #糖尿病创面修复 #抗氧化递送 #成纤维细胞 #生物墨水
一、做什么 🔬
研究背景：糖尿病慢性创面因高血糖与活性氧（ROS）累积引发持续氧化应激，阻碍巨噬细胞由促炎M1向修复M2表型转化，导致伤口长期停滞于炎症期。传统水凝胶生物墨水高度依赖紫外光交联，光引发剂残留引发细胞毒性，且降解速率难以精准匹配组织再生周期；现有温敏型墨水（如PNIPAM、Pluronic F127）在生理温度下储能模量不足，无法独立维持3D打印结构的长期稳定性。开发免化学交联、兼具高机械强度与抗氧化递送能力的温敏生物墨水，是突破个性化糖尿病创面修复材料瓶颈的核心路径。
核心问题：
- 能否通过侧链修饰酪胺的聚有机磷腈聚合物构建免光交联的温敏生物墨水？
- 负载天然抗氧化剂咖啡酸能否在不破坏墨水剪切变稀与自愈合特性的前提下实现长效ROS清除？
- 该3D打印支架能否在糖尿病动物模型中同步完成巨噬细胞极化调控与成纤维细胞原位递送，从而加速创面闭合？
研究模型：体外小鼠巨噬细胞（RAW 264.7）与成纤维细胞共培养体系，体内db/db糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型。
技术路线：
- 聚合物合成：将异亮氨酸乙酯、氨基甲氧基聚乙二醇与酪胺接枝至聚有机磷腈主链，合成Tyr-PPZ聚合物。
- 墨水配制与流变调控：将Tyr-PPZ溶于PBS制备TP墨水，掺入咖啡酸制备PC墨水，通过流变仪测定储能模量（100~150 Pa）与温度依赖性相变点。
- 3D挤出打印：设定喷嘴温度（2628℃）与打印床温度（3740℃），利用温敏相变特性实现高精度网格与复杂结构打印。
- 体外抗氧化与细胞极化验证：DPPH自由基清除实验结合H2DCFDA荧光染色与RT-qPCR，评估墨水对巨噬细胞M1/M2极化的调控作用。
- 体内创面修复评估：将负载成纤维细胞的PCC墨水打印支架植入db/db小鼠背部创面，连续监测创面闭合率、肉芽组织厚度与血管新生标志物表达。
二、发现什么 📊
核心发现1：温敏型PC生物墨水实现免交联高精度打印并赋予长效抗氧化与促修复功能
图1：PC生物墨水在26℃喷嘴下实现0.90~0.98的高打印精度，DPPH自由基清除率达79.0%±5.9%，并在14天内维持网格结构厚度稳定（0.90±0.06 mm至0.99±0.06 mm）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 合成侧链含酪胺的聚有机磷腈（Tyr-PPZ）聚合物，将其溶于PBS配制TP墨水，并掺入咖啡酸（CA）制备PC墨水；在26℃喷嘴与37℃打印床条件下进行3D挤出打印，随后进行DPPH自由基清除实验、流变学自愈合测试（高低应变交替循环）及14天PBS浸泡稳定性评估。 |
| 发现什么 | PC墨水在26℃下呈现剪切变稀特性，高应变（30%）解除后首轮储能模量恢复率达58%，次轮保持39%；DPPH清除率达79.0%±5.9%（显著高于TP墨水的13.8%±2.9%）；14天浸泡后打印网格可打印性维持在0.90~0.98区间，线宽仅从0.90±0.06 mm微增至0.99±0.06 mm，吸水膨胀率控制在114.7%±2.5%。 |
| 说明什么 | 酪胺侧链与咖啡酸之间的π-π相互作用在维持温敏相变的同时构建了致密网络，使墨水在免紫外/化学交联条件下兼具高挤出分辨率与抗溶胀稳定性；该物理交联策略成功将天然抗氧化剂均匀包埋并长效保留，为后续负载活细胞并调控创面氧化微环境提供了结构基础。 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统温敏水凝胶因模量过低难以独立支撑3D打印结构，常需二次交联或添加无机填料，牺牲了生物相容性或细胞活性。该研究证实聚有机磷腈主链结合酪胺修饰可突破机械强度与温敏相变的平衡瓶颈，无需光引发剂或化学交联剂即可在37℃下维持30天结构稳定。这一发现将温敏生物墨水的应用边界从短期体外模型推向长期体内植入，确立了“物理π-π网络+温敏相变”作为下一代免交联打印平台的新共识，同时验证了天然多酚类小分子与高分子侧链的超分子作用可有效替代传统共价交联。
临床/转化价值：
- 糖尿病慢性创面修复：通过3D打印定制化支架直接贴合不规则创面，持续释放咖啡酸清除ROS，将巨噬细胞iNOS与TNF-α转录水平分别下调4.19倍与10.32倍，打破慢性炎症循环。
- 活细胞原位递送：PCC墨水负载成纤维细胞后7天存活率保持高位，支架在体内同步诱导肉芽组织增厚与CD31阳性血管新生，为自体/异体细胞疗法提供标准化递送载体。
- 个性化医疗器械开发：基于患者创面影像数据直接生成打印路径，实现“按需制造-床旁植入”的闭环，缩短传统敷料更换周期并降低感染风险。
与我们产品的关联：该研究高度依赖挤出式3D生物打印机的独立温控模块与多喷头协同能力。若需复现其流变调控、细胞存活率验证或巨噬细胞极化动态分析，需配套高精度温控挤出平台、活细胞原位成像系统及微环境氧/ROS实时监测设备。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文核心依赖挤出式生物打印机。BIO X6配备独立温控模块与多喷头系统，可直接复现26℃喷嘴/37℃热床的温敏相变打印，支持PC/PCC墨水的高分辨率网格与定制化创面支架成型。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐ | 论文未涉及电生理记录。若后续需评估负载成纤维细胞支架对周围神经末梢或血管内皮细胞的电活动调控，可引入HD-MEA进行无标记实时监测。 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 论文使用常规培养箱与Transwell体系。Celvivo活细胞成像系统可在不干扰支架结构的前提下，连续7天原位追踪成纤维细胞迁移、增殖及巨噬细胞M1/M2表型转换的动态过程。 |
| SIEVEWELL | ⭐ | 论文聚焦宏观创面修复与组织学切片。若需深入解析支架降解产物对单细胞转录组或代谢通路的影响，可结合SIEVEWELL微流控芯片进行高通量单细胞捕获与空间转录组分析。 |
参考文献
- Kim J, Lee J, Cho JK, Bong KW, Song SC. Thermo-responsive Bioink for Personalized 3D Printed Scaffolds with Antioxidant and Fibroblast Delivery to Accelerate Diabetic Wound Healing. Biomaterials Research. 2025. DOI: 10.34133/bmr.0216
- Groll J, Burdick JA, Cho DW, Derby B, Gelinsky M, Heilshorn SC, et al. A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks. Biofabrication. 2018. DOI: 10.1088/1758-5090/aae4d4
- Ouyang L, Yao R, Zhao Y, Sun W. Effect of bioink properties on printability and cell viability for 3D bioplotting of embryonic stem cells. Biofabrication. 2016. DOI: 10.1088/1758-5090/8/3/035020
- Zhao X, Wu H, Guo B, Dong R, Qiu Y, Ma PX. Antibacterial anti-oxidant electroactive injectable hydrogel as self-healing wound dressing with hemostasis and adhesiveness for cutaneous wound healing. Biomaterials. 2017. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2017.01.011
转发语：温敏聚磷腈墨水免光交联直接打印，咖啡酸+成纤维细胞双管齐下，db/db小鼠创面闭合率与血管新生指标全面跑赢传统敷料，糖尿病慢性伤口修复有了新解法。
联系人：李东伟
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