上海
在伤口缺损修复的漫长过程中，伤口周围的生物电刺激逐渐减弱，导致伤口愈合级联反应逐渐下调，胶原纤维沉积紊乱，细胞外基质（ECM）异常重塑，从而会致使伤口愈合延迟和疤痕组织形成。
为了解决这一问题，来自兰州大学口腔医学院的刘斌/范增杰团队采用3D打印技术制备了一种新型氧化锌（ZnO）纳米粒子改性聚偏氟乙烯（PVDF）/海藻酸钠（SA）压电水凝胶支架（ZPFSA）。相关论文“3D Printed Piezoelectric Wound Dressing with Dual Piezoelectric Response Models for Scar-Prevention Wound Healing”发表于杂志ACS Applied Materials & Interfaces上。
本期谷.专栏将分这一论文中报道的要点。
在皮肤创面修复领域具应用前景
基于已有的研究报道，研究者认为3D打印制备PVDF压电水凝胶既能为伤口愈合提供理想的湿润环境，又能有效减少粘连造成的继发性撕裂伤。另外水凝胶吸收伤口渗出液时垂直方向上体积变大，运动过程中伤口敷料与皮肤之间水平方向产生摩擦，通过垂直和水平压电响应产生稳定的电流，作为外源性电刺激促进伤口愈合。
为了满足上述要求，研究者使用亲水性ZnO纳米粒子改善PVDF的亲水性和极化程度，采用SA提高PVDF的3D打印成型能力，制备了压电水凝胶支架（ZPFSA）。
图1 ZPFSA压电支架的制备和应用示意图
首先，为了探索了生物墨水的可打印性，研究者对SA、PVDF和ZnO纳米粒子的浓度进行调控，并对不同支架的理化特性进行研究。测试结果表明，SA浓度为6%、PVDF浓度为8%、ZnO纳米粒子的浓度为0.5%时的生物墨水呈现出更好的打印效果。
图2 ZPFSA压电支架的物理化学特性
随后，研究者通过调整ZnO纳米粒子的浓度改善压电支架的抗菌性能。结果表明，在压电支架中添加ZnO纳米颗粒显着提高了其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗菌能力，与ZnO纳米粒子的浓度呈正相关。结合支架的抗菌性能和打印结果，选择ZPFSA 0.5压电支架进行以下实验。
图3 ZPFSA压电支架的抗菌测试
接着，研究者评估了ZPFSA支架的压电输出情况。结果表明，ZPFSA 0.5支架的输出电压高于ZPFSA 0和SA，表明ZPFSA 0.5支架具有优异的压电性能，进一步证实了ZnO纳米粒子对PVDF的极化效应。
图4 不同ZPFSA压电支架的压电测试
为了保证合成材料在人体中安全使用，研究者通过细胞活力和细胞粘附来量化。结果表明，ZPFSA压电支架可以通过电刺激促进成纤维细胞的粘附和生长。并调节它们的形态。MTT结果中，ZPFSA 0和ZPFSA 0.5组的细胞活力超过90%，表明该压电支架具有良好的生物相容性。
图5 细胞粘附、迁移、增殖活性和生物相容性测试
为了模拟生物电对伤口愈合的作用，研究者使用ZPFSA压电支架产生的微电流促进SD大鼠伤口缺损模型的伤口愈合。结果表明，ZPFSA 0.5组第14天的创面愈合率可达98.74±0.87%，远高于其余各组，证明了ZPFSA压电支架具有出色的伤口愈合功效。
图6 ZPFSA压电支架的伤口愈合和体表电
图7 伤口组织的HE和Masson染色
总而言之，本文采用3D打印技术制备的新型ZPFSA压电支架，创造性地设计和构建了垂直膨胀和水平摩擦双压电释放模型。PVDF作为功能主体，不断地感受到压力，释放出电刺激。SA作为支架网络的支撑体，在吸收伤口渗出液时驱动PVDF结构基团膨胀和伸展。ZnO纳米颗粒均匀分布在支架网络中，以稳定的亲水极化改性PVDF并表现出良好的抗菌性能。
值得注意的是，ZPFSA 0.5表现出良好的生物相容性、抗菌性和压电愈合特性，显著加快了大鼠创面模型的愈合速度，有效防止了瘢痕组织的形成，在皮肤创面修复领域具有广阔的应用前景。
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