隨著生物醫(yī)學(xué)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，人造皮膚的開發(fā)已作為創(chuàng)傷治療中的重要方向。理想的傷口愈合材料應(yīng)具備一系列關(guān)鍵特性：包含優(yōu)良的生物相容性、快速止血能力、對各樣創(chuàng)傷形狀的適應(yīng)性、強(qiáng)大的粘附力、足夠的機(jī)械強(qiáng)度和自愈能力，同期還應(yīng)具備促進(jìn)組織再生的生化特性以及術(shù)后的可生物降解性，從而避免二次手術(shù)。然而研發(fā)兼具這些性能的理想材料仍面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其在人造皮膚的應(yīng)用中。盡管傳統(tǒng)水凝膠材料在創(chuàng)傷愈合中展現(xiàn)出必定的潛能，但一般在注射性、粘附性和機(jī)械強(qiáng)度之間存在權(quán)衡，難以全面滿足臨床需要，因此呢探索新型的水凝膠人造皮膚材料及制備辦法已作為當(dāng)前的科研熱點(diǎn)。

為處理這些問題，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的可注射、可3D打印、粘附性強(qiáng)的PVA-GMA/OSA-PBA（PGOP）水凝膠人造皮膚。該水凝膠人造皮膚經(jīng)過逐步觸發(fā)的雙重可逆/不可逆共價(jià)鍵連接，展現(xiàn)出多種優(yōu)異性能，使其在組織工程和傷口愈合等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。PGOP水凝膠的設(shè)計(jì)基于兩種功能化聚合物：甲基丙烯酸縮水甘油酯修飾的聚乙烯醇（PVA-GMA）和3-氨基苯硼酸接枝的氧化海藻酸鈉（OSA-PBA）。經(jīng)過動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵做為可逆共價(jià)連接以及GMA雙鍵的光聚合反應(yīng)做為不可逆共價(jià)交聯(lián)，科研人員成功制備出一種兼具良好注射性和3D打印性，同期持有高機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良生物相容性的水凝膠人造皮膚。PGOP水凝膠人造皮膚表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度為39.5 ± 2.3 kPa、在84.5 kPa應(yīng)力下具備良好的彈性和韌性，并能承受80%的壓縮應(yīng)變）、自愈能力和生物粘附性（對鮮嫩豬皮的粘附強(qiáng)度高達(dá)34.2 ± 2.7 kPa，明顯優(yōu)于商場纖維蛋白膠）。另外，PGOP水凝膠人造皮膚還表現(xiàn)出良好的抗菌性能、生物相容性和可降解性，能夠?yàn)閯?chuàng)面愈合的過程中供給理想的環(huán)境支持，有效防止創(chuàng)面感染。

該科研的另一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新在于PGOP水凝膠在3D打印中的應(yīng)用。憑借PGOP水凝膠的優(yōu)異性能，科研團(tuán)隊(duì)借助生物3D打印機(jī)（南京貝耳時(shí)代科技有限機(jī)構(gòu)供給）成功打印出各樣形狀的3D結(jié)構(gòu)，包含耳狀結(jié)構(gòu)，從而驗(yàn)證了其在個(gè)性化醫(yī)療中的應(yīng)用潛能。PGOP水凝膠良好的剪切變稀行徑使其能夠在微流控系統(tǒng)中被精確掌控，并經(jīng)過3D打印構(gòu)建出高形狀保真度和優(yōu)異機(jī)械性能的繁雜結(jié)構(gòu)，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)行業(yè)供給了新的處理方法。更為重要的是，科研團(tuán)隊(duì)結(jié)合微流控濕法紡絲技術(shù)（微流控旋轉(zhuǎn)濕法紡絲機(jī)由南京捷納思新材料有限機(jī)構(gòu)供給），制造出了以螺旋纖維為骨架的PGOP水凝膠人造皮膚材料。這種螺旋纖維骨架能夠有效分散外邊負(fù)荷，明顯加強(qiáng)了水凝膠皮膚的力學(xué)強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度為11.9 ± 0.8 MPa）和穩(wěn)定性，同期保持了其柔韌性，使其在組織工程等應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的強(qiáng)度和耐用性。

隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，PGOP水凝膠人造皮膚有望作為醫(yī)療行業(yè)中一種重要的材料，推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展。微流控3D打印與微流控濕法紡絲技術(shù)為水凝膠基人造皮膚的可控構(gòu)筑供給了簡便靈活的制備路線，將推動(dòng)繁雜創(chuàng)傷和組織修復(fù)的發(fā)展。該科研成果于近期發(fā)布在國際重要刊物《Advanced Healthcare Materials》（DOI: 10.1002/adhm.202404683）上。標(biāo)題為：“Robust 3D-Printable, Injectable and Adhesive Hydrogels with Stepwise-Triggered Dual Reversible/Irreversible Covalent Linkages for Wound Healing”。南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授與王彩鳳教授為一起通訊。南京工業(yè)大學(xué)博士科研生李府赪為第1作者。該課題得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)開發(fā)計(jì)劃、江蘇省高校優(yōu)良學(xué)科建設(shè)工程、材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等基金的幫助和支持。

圖1. 生物3D打印機(jī)（南京貝耳時(shí)代科技有限機(jī)構(gòu)研制）

圖2. 微流控旋轉(zhuǎn)濕法紡絲機(jī)：可實(shí)現(xiàn)微流控紡絲、旋轉(zhuǎn)紡絲和濕法紡絲（南京捷納思新材料有限機(jī)構(gòu)研制）

圖3. PGOP水凝膠人造皮膚在小鼠肝臟急救止血與皮膚創(chuàng)面愈合中的示意圖：a) PGOP水凝膠的制備示意圖；b) PGOP預(yù)凝膠擁有可注射性，光聚合后形成的PGOP水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的粘附性和機(jī)械強(qiáng)度（左），經(jīng)過微流控技術(shù)制備凝膠微球（中），以及將PGOP預(yù)凝膠做為3D打印墨水，利用微流控3D打印技術(shù)制備出多種形狀的分級結(jié)構(gòu)（右）；c) PGOP水凝膠人造皮膚在肝臟止血與創(chuàng)面愈合中的應(yīng)用。

圖4. PGOP水凝膠人造皮膚的機(jī)械性能：a) 采用區(qū)別質(zhì)量比制備的水凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b) 水凝膠的溶脹曲線；c) 水凝膠的降解曲線；d) 水凝膠光固化前后儲(chǔ)能模量（G）和損耗模量（G"）的變化；e) 交替應(yīng)變掃描模式下水凝膠光固化前的流變曲線；f) 交替應(yīng)變掃描模式下水凝膠光固化后的流變曲線；g) 水凝膠自愈合10分鐘、20分鐘和30分鐘后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；h) 水凝膠在區(qū)別時(shí)間點(diǎn)的自愈合效率；i) 水凝膠在三個(gè)加載-卸載循環(huán)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；j) 水凝膠樣品的壓縮過程及釋放后的照片。

圖5. PGOP水凝膠人造皮膚的粘附性能：a) 對各樣材料、手指及豬腎的粘附狀況；b) 搭接剪切實(shí)驗(yàn)的示意圖；c) 由PGOP水凝膠粘附的豬皮可吊起200 g的重物；d) PGOP水凝膠在PBS中浸泡48小時(shí)后在豬皮上的粘附實(shí)驗(yàn)；e) PGOP水凝膠在豬皮上光固化前后的粘附強(qiáng)度-應(yīng)變曲線；f) PGOP水凝膠與皮膚組織之間粘附機(jī)理的示意圖。

圖6. PGOP水凝膠在3D打印中的應(yīng)用：a) 運(yùn)用PGOP水凝膠做為3D打印墨水的3D打印過程示意圖；b) 運(yùn)用PGOP水凝膠3D打印的區(qū)別形狀的照片；c) 運(yùn)用PGOP水凝膠3D打印的耳狀結(jié)構(gòu)；d) 耳狀結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)照片；e) 3D打印傾斜水凝膠圓柱的最大高度與傾斜方向的關(guān)系圖。圖7. 水凝膠的抗菌性與生物相容性測試：a) 金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在瓊脂平板上培養(yǎng)12小時(shí)后的菌落圖像；b) 控制效率的定量分析；c - e) NIH 3T3小鼠成纖維細(xì)胞培養(yǎng)5天后的活/死細(xì)胞染色熒光顯微照片；f) NIH 3T3小鼠成纖維細(xì)胞在培養(yǎng)1、3和5天后的細(xì)胞活力定量圖。圖8. PGOP水凝膠人造皮膚在小鼠肝臟止血中的應(yīng)用：a) 小鼠肝臟手術(shù)過程中止血的示意圖；b) 小鼠肝臟在1分鐘內(nèi)止血的照片；c) 區(qū)別處理要求下的小鼠肝臟流血量；d) 小鼠肝臟在劃傷、刺傷和擠壓損傷恢復(fù)前后的表率性組織學(xué)圖像。圖9. PGOP水凝膠人造皮膚在小鼠皮膚創(chuàng)面愈合中的應(yīng)用：a) 創(chuàng)面愈合過程的示意圖；b) 區(qū)別要求處理后創(chuàng)面隨時(shí)間變化的照片；c) 創(chuàng)面愈合面積的相對變化圖示；d) 四組創(chuàng)面閉合率與時(shí)間的定量分析；e) 表率性H&E染色的圖像。橙色箭頭：炎癥細(xì)胞；紅色箭頭：新生血管；藍(lán)色箭頭：成纖維細(xì)胞；f) 新形成表皮厚度的定量分析。圖10. 皮膚組織學(xué)染色分析：a) IL-6免疫組化染色圖像；b) CD31免疫熒光染色圖像；c) α-SMA免疫熒光染色圖像；d) Masson染色圖像；e) 血管密度的定量分析；f) 膠原蛋白沉積的定量分析。

源自：高分子科學(xué)前沿