南工陈苏教授团队AHM：微流控3D打印与纺丝技术构建高粘附水凝胶人造皮肤

摘要：随着生物医学领域的不断发展，人造皮肤的研发已成为创伤治疗中的重要方向。理想的伤口愈合材料应具备一系列关键特性：包括优良的生物相容性、快速止血能力、对各种创伤形状的适应性、强大的粘附力、足够的机械强度和自愈能力，同时还应具备促进组织再生的生化特性以及术后的可生物

随着生物医学领域的不断发展，人造皮肤的研发已成为创伤治疗中的重要方向。理想的伤口愈合材料应具备一系列关键特性：包括优良的生物相容性、快速止血能力、对各种创伤形状的适应性、强大的粘附力、足够的机械强度和自愈能力，同时还应具备促进组织再生的生化特性以及术后的可生物降解性，从而避免二次手术。然而开发兼具这些性能的理想材料仍面临巨大挑战，尤其在人造皮肤的应用中。尽管传统水凝胶材料在创伤愈合中展现出一定的潜力，但通常在注射性、粘附性和机械强度之间存在权衡，难以全面满足临床需求，因此探索新型的水凝胶人造皮肤材料及制备方法已成为当前的研究热点。

为解决这些问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授团队设计了一种新型的可注射、可3D打印、粘附性强的PVA-GMA/OSA-PBA（PGOP）水凝胶人造皮肤。该水凝胶人造皮肤通过逐步触发的双重可逆/不可逆共价键连接，展现出多种优异性能，使其在组织工程和伤口愈合等领域有着广阔的应用前景。PGOP水凝胶的设计基于两种功能化聚合物：甲基丙烯酸缩水甘油酯修饰的聚乙烯醇（PVA-GMA）和3-氨基苯硼酸接枝的氧化海藻酸钠（OSA-PBA）。通过动态硼酸酯键作为可逆共价连接以及GMA双键的光聚合反应作为不可逆共价交联，研究人员成功制备出一种兼具良好注射性和3D打印性，同时拥有高机械强度和优良生物相容性的水凝胶人造皮肤。PGOP水凝胶人造皮肤表现出优异的机械性能（拉伸强度为39.5 ± 2.3 kPa、在84.5 kPa应力下具备良好的弹性和韧性，并能承受80%的压缩应变）、自愈能力和生物粘附性（对新鲜猪皮的粘附强度高达34.2 ± 2.7 kPa，显著优于商业纤维蛋白胶）。此外，PGOP水凝胶人造皮肤还表现出良好的抗菌性能、生物相容性和可降解性，能够为创面愈合的过程中提供理想的环境支持，有效防止创面感染。

该研究的另一个重要创新在于PGOP水凝胶在3D打印中的应用。凭借PGOP水凝胶的优异性能，研究团队借助生物3D打印机（南京贝耳时代科技有限公司提供）成功打印出各种形状的3D结构，包括耳状结构，从而验证了其在个性化医疗中的应用潜力。PGOP水凝胶良好的剪切变稀行为使其能够在微流控系统中被精确控制，并通过3D打印构建出高形状保真度和优异机械性能的复杂结构，为组织工程和再生医学领域提供了新的解决方案。更为重要的是，研究团队结合微流控湿法纺丝技术（微流控旋转湿法纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司提供），制造出了以螺旋纤维为骨架的PGOP水凝胶人造皮肤材料。这种螺旋纤维骨架能够有效分散外部负荷，显著提高了水凝胶皮肤的力学强度（抗拉强度为11.9 ± 0.8 MPa）和稳定性，同时保持了其柔韧性，使其在组织工程等应用中展现出卓越的强度和耐用性。

随着技术的不断进步，PGOP水凝胶人造皮肤有望成为医疗领域中一种重要的材料，推动个性化医疗和再生医学的发展。微流控3D打印与微流控湿法纺丝技术为水凝胶基人造皮肤的可控构筑提供了简便灵活的制备路线，将推动复杂创伤和组织修复的发展。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Advanced Healthcare Materials》（DOI: 10.1002/adhm.202404683）上。标题为：“Robust 3D-Printable, Injectable and Adhesive Hydrogels with Stepwise-Triggered Dual Reversible/Irreversible Covalent Linkages for Wound Healing”。南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授与王彩凤教授为共同通讯。南京工业大学博士研究生李府赪为第一作者。该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。

图1. 生物3D打印机（南京贝耳时代科技有限公司研制）

图2. 微流控旋转湿法纺丝机：可实现微流控纺丝、旋转纺丝和湿法纺丝（南京捷纳思新材料有限公司研制）

图3. PGOP水凝胶人造皮肤在小鼠肝脏急救止血与皮肤创面愈合中的示意图：a) PGOP水凝胶的制备示意图；b) PGOP预凝胶具有可注射性，光聚合后形成的PGOP水凝胶展现出优异的粘附性和机械强度（左），通过微流控技术制备凝胶微球（中），以及将PGOP预凝胶作为3D打印墨水，利用微流控3D打印技术制备出多种形状的分级结构（右）；c) PGOP水凝胶人造皮肤在肝脏止血与创面愈合中的应用。

图4. PGOP水凝胶人造皮肤的机械性能：a) 采用不同质量比制备的水凝胶应力-应变曲线；b) 水凝胶的溶胀曲线；c) 水凝胶的降解曲线；d) 水凝胶光固化前后储能模量（G'）和损耗模量（G"）的变化；e) 交替应变扫描模式下水凝胶光固化前的流变曲线；f) 交替应变扫描模式下水凝胶光固化后的流变曲线；g) 水凝胶自愈合10分钟、20分钟和30分钟后的应力-应变曲线；h) 水凝胶在不同时间点的自愈合效率；i) 水凝胶在三个加载-卸载循环下的应力-应变曲线；j) 水凝胶样品的压缩过程及释放后的图片。

图5. PGOP水凝胶人造皮肤的粘附性能：a) 对各种材料、手指及猪肾的粘附情况；b) 搭接剪切试验的示意图；c) 由PGOP水凝胶粘附的猪皮可吊起200 g的重物；d) PGOP水凝胶在PBS中浸泡48小时后在猪皮上的粘附实验；e) PGOP水凝胶在猪皮上光固化前后的粘附强度-应变曲线；f) PGOP水凝胶与皮肤组织之间粘附机理的示意图。

图6. PGOP水凝胶在3D打印中的应用：a) 使用PGOP水凝胶作为3D打印墨水的3D打印过程示意图；b) 使用PGOP水凝胶3D打印的不同形状的照片；c) 使用PGOP水凝胶3D打印的耳状结构；d) 耳状结构的弯曲和扭转照片；e) 3D打印倾斜水凝胶圆柱的最大高度与倾斜角度的关系图。

图7. 水凝胶的抗菌性与生物相容性测试：a) 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在琼脂平板上培养12小时后的菌落图像；b) 抑制效率的定量分析；c - e) NIH 3T3小鼠成纤维细胞培养5天后的活/死细胞染色荧光显微照片；f) NIH 3T3小鼠成纤维细胞在培养1、3和5天后的细胞活力定量图。

图8. PGOP水凝胶人造皮肤在小鼠肝脏止血中的应用：a) 小鼠肝脏手术过程中止血的示意图；b) 小鼠肝脏在1分钟内止血的照片；c) 不同处理条件下的小鼠肝脏出血量；d) 小鼠肝脏在划伤、刺伤和挤压损伤恢复前后的代表性组织学图像。

图9. PGOP水凝胶人造皮肤在小鼠皮肤创面愈合中的应用：a) 创面愈合过程的示意图；b) 不同条件处理后创面随时间变化的照片；c) 创面愈合面积的相对变化图示；d) 四组创面闭合率与时间的定量分析；e) 代表性H&E染色的图像。橙色箭头：炎症细胞；红色箭头：新生血管；蓝色箭头：成纤维细胞；f) 新形成表皮厚度的定量分析。