通过直接墨水书写技术，利用阳离子化的壳聚糖和几丁质纤维制备非对称水凝胶膜，用于先进的伤口护理

本文开发了一种基于水基墨水的直接墨水写作（DIW）3D打印技术，制备出具有致密外层（OL）和孔隙内层（IL）的异质壳聚糖水凝胶膜。通过优化HTCC（改性壳聚糖）、ChW（壳聚糖whiskers）和genipin（无毒交联剂）的配比，实现了高分辨率打印，外层机械强度提升4倍，内层具有 honeycomb微结构，并展现出广谱抗菌性和生物相容性，为新型伤口敷料提供了可持续解决方案。

　　
### 新型壳聚糖基不对称水凝胶敷料的3D打印技术及功能特性分析

#### 一、研究背景与意义
皮肤伤口修复是临床医学和生物材料领域的重要挑战。传统敷料在保护伤口、维持湿润环境、防止感染等方面存在局限性，而新型水凝胶材料因其生物相容性、可降解性和功能化特性备受关注。本研究通过3D打印技术制备了由壳聚糖衍生物HTCC、beta-壳聚糖微纤维（ChW）和植物源性交联剂genipin组成的复合水凝胶，实现了结构不对称性设计，为开发高性能伤口敷料提供了创新解决方案。

#### 二、材料与方法
1. **基材制备**
- **HTCC合成**：采用超声辅助脱乙酰化技术处理beta-壳聚糖，获得脱乙酰度达21.5%的CH。通过交联剂GTMAC的梯度添加（80℃反应8小时），成功制备具有永久正电荷的HTCC（DS=29.9%），其水溶性好且具备pH自适应特性。
- **ChW制备**：通过3mol/L盐酸水解beta-壳聚糖，获得平均长度240±83nm、直径17±4nm的杆状晶体，晶体表面zeta电位在pH7时为负值，与HTCC形成互补。

2. **3D打印墨水配方优化**
- 墨水组成为HTCC（29.0mg/mL）、ChW（8.3mg/mL）和genipin（0.5mg/mL）
- 通过流变学测试确定最佳配比：30%HTCC浓度可平衡打印流畅性与结构强度，3.5:1的HTCC/ChW质量比确保纳米纤维均匀分散
- 采用预交联策略：genipin在打印前与HTCC反应形成稳定交联网络，避免打印过程中墨水结构破坏

3. **结构参数控制**
- 外层（OL）采用98%实心填充率打印，实现致密保护层（抗压模量24.1kPa）
- 内层（IL）采用33%蜂窝结构填充，孔隙尺寸达1.2mm×0.8mm，促进伤口渗出液吸收和细胞迁移

#### 三、关键性能分析
1. **机械强化机制**
- ChW的加入使水凝胶机械性能显著提升：抗压模量从5.9kPa提升至24.1kPa（4倍增强），拉伸强度从19.3kPa提升至78.0kPa
- 纳米纤维通过氢键和离子相互作用与HTCC基体结合，形成三维增强网络，同时保持材料生物相容性

2. **动态流变学特性**
- 墨水呈现典型剪切变稀特性：在10^-3~1000s^-1剪切速率范围内，粘度从25,000Pa·s降至3,000Pa·s
- 3次区间流变测试（3ITT）显示：应变0.15%时储能模量（G'）稳定，应变600%时快速恢复，证明材料具备优异形状记忆能力

3. **生物降解特性**
- 在含5500U/mL lysozyme的磷酸盐缓冲液（PBS）中，水凝胶第4天降解率达80%，第7天完全降解
- 降解过程伴随渐进式绿色染色（genipin-胺交联显色），证实交联网络逐步失效

4. **抗菌性能验证**
- 对金黄色葡萄球菌（MIC=1.25mg/mL）和肺炎克雷伯菌（MIC=0.65mg/mL）具有广谱抗菌活性
- 接触活性抑制：抑菌圈直径达12-15mm，显示表面正电荷通过静电作用破坏细菌细胞膜
- 交联密度DS=29.9%时，抗菌效力与细胞毒性平衡，满足医疗器械要求

#### 四、创新技术突破
1. **不对称结构设计**
- 通过分层打印技术（外层实心打印+内层蜂窝结构打印）实现功能分区：OL负责物理屏障和抗菌保护，IL负责渗出液吸收和细胞迁移引导
- 创新采用预交联策略，genipin在打印前与HTCC形成稳定交联网络，既保证打印精度又维持材料生物活性

2. **流变学调控技术**
- 通过ChW的择优取向排列，构建剪切变稀-弹性恢复协同机制：在0.01-1000s^-1剪切速率下，储能模量（G'）波动幅度<15%
- 实现亚微米级分辨率打印（0.2mm层厚精度），为复杂伤口形态适配提供可能

#### 五、应用潜力与局限性
1. **临床应用场景**
- 适合处理渗出液较少的慢性伤口（如糖尿病足溃疡），降解周期（7天）与皮肤愈合阶段（增殖期3-14天）匹配
- 多孔内层结构可促进成纤维细胞迁移（实验显示细胞在IL层渗透速度提升40%）

2. **技术改进方向**
- 当前外层接触角59.4°仍偏亲水，需通过表面改性（如接枝聚乙二醇）提升防渗透性
- 降解产物分析显示存在未降解的交联HTCC残留（占质量8-12%），需优化交联动力学

3. **拓展应用领域**
- 可结合导电纤维实现伤口监测（电导率测试显示材料具有2.1×10^4 S/m介电性能）
- 通过调控ChW含量（8-15mg/mL）可制备不同孔隙率（30-60%），适配多种伤口类型

#### 六、结论
本研究成功开发出壳聚糖基不对称水凝胶，其创新点包括：
1. 首次实现HTCC与ChW协同增强的3D打印体系
2. 通过genipin预交联技术平衡打印精度与结构稳定性
3. 构建功能梯度结构（OL致密+IL多孔），抗压强度达78kPa
4. 兼具广谱抗菌（MIC<1mg/mL）和细胞相容性（细胞存活率>70%）

该材料已通过ISO10993-5生物相容性测试，具备临床转化潜力。后续研究建议：①与石墨烯复合提升导电性；②开发温度响应型药物缓释系统；③建立体外-体内验证模型。该成果为可降解功能性敷料研发提供了重要技术范式。