具有物理化学协同作用的维甲酸改性聚己内酯支架，用于动态组织再生

《Biomaterials Advances》：Physicochemical synergistic retinoic acid modified polycaprolactone scaffolds for dynamic tissue regeneration

　　• MEW-PCL支架结合了微观结构引导和生物活性的视黄酸（RA）界面。• 阶段依赖性调节将早期的结构引导与后续的RA调节联系起来。• PCL-RA支架促进伤口闭合、上皮再生和胶原蛋白重塑。• 一种新的支架策略整合了用于皮肤修复的结构和生化线索。

引言
由创伤或外科切除引起的全层皮肤缺陷在临床伤口修复中是一个重大挑战[1]。有效的修复需要在不同愈合阶段进行协调调节[2]。修复过程从炎症和增殖发展到重塑[2][3]。在这些阶段中，细胞会对变化的物理和生化信号做出响应[3]。因此，一个有效的再生支架不仅应该提供结构支持，还应该根据组织修复的需求调整其功能。然而，许多现有的支架提供的物理或生化信号相对静态，可能无法完全满足愈合的不同阶段的特定需求[4]。因此，迫切需要能够协调物理和生化调节的再生支架。
先进的生物材料和纳米结构系统已被广泛探索用于生物医学应用，包括治疗递送、生物传感和疾病相关分子检测[5][6][7][8]。目前，基于支架的组织修复策略大致可分为结构引导支架和药物递送支架。结构引导支架主要通过可控的微观结构和机械支持来调节细胞黏附、迁移和对齐[9]。例如，Daghrery等人通过改变MEW-PCL支架的纤维方向和间距，证明了精心设计的架构可以调节细胞行为并引导有序的组织再生[10]。然而，这些支架主要依赖于物理调节，在修复的后期可能无法提供足够的生化刺激。相比之下，生物活性和药物递送支架可以通过递送治疗剂或免疫调节线索来调节炎症、细胞行为和组织重塑[11]。例如，Zhang等人设计了一种具有梯度药物装载的相变水凝胶，以满足伤口愈合的不同阶段的需求[12]。然而，药物递送系统在协调生化释放和支架介导的结构引导方面仍面临挑战。因此，许多现有策略的功能仍然有限，缺乏物理和生化调节之间的时间协调。
熔融电写（MEW）是一种高分辨率的制造技术，能够精确控制纤维直径、间距和方向，特别适合构建具有明确地形线索的微观结构支架[13]。先前的研究表明，MEW-PCL支架可以通过支架架构来调节细胞行为[14]。例如，von Witzleben等人调整了基于MEW的结构的孔隙设计，用于肌腱重建，并表明支架几何形状可以提高细胞对齐[15]。同样，de Carvalho等人将生物活性玻璃结合到MEW-PCL支架中，表明打印的微纤维架构可以支持细胞黏附、矿化和血管生成反应，同时保持有序的多孔结构[16]。这些研究突显了MEW在提供稳定和可重复的结构引导方面的优势。然而，尽管PCL具有优异的熔融加工性、机械稳定性和与MEW的兼容性，但它生物惰性较大，提供的生化线索有限，无法持续调节组织[17]。因此，在不损害其精确定义的微观结构的情况下，将生物活性功能引入MEW-PCL支架是一种提高其再生性能的重要策略。
为了提高PCL支架的生物活性，已经探索了几种功能化策略[18][19][20]。例如，Kong等人将MEW-PCL支架与基于GelMA的外泌体负载水凝胶结合用于伤口修复[21]。该复合系统支持细胞黏附和迁移，改善了组织再生。然而，水凝胶的引入在支架界面引入了一个额外的相，可能会增加结构复杂性，使得界面稳定性和释放行为更难以控制。Xu等人还将各向异性的MEW-PCL支架与生物活性水凝胶结合，以提高组织兼容性和生物功能[22]，进一步显示了水凝胶辅助功能化的价值。然而，这样的复合系统仍然依赖于两种不同材料相之间的耦合。另一种策略是在制造过程中直接将功能性组分整合到聚合物中。将纳米结构组分整合到聚合物基质中可以有效地调整其物理化学和机械性能[23]。Darroch等人使用PCL/PEG混合物来提高MEW支架的亲水性和功能性[24]，表明聚合物混合可以调节支架的性能。然而，改变聚合物组成也可能影响熔融行为和打印稳定性，这对高精度MEW制造至关重要[24][25]。相比之下，表面功能化在支架制造后引入生物活性功能，因此对原始打印过程和微观结构的影响较小。基于此，选择表面功能化将生化活性引入MEW-PCL支架，同时保留其有序的微纤维架构。
已经开发了各种基于载体的系统来提高生物活性小分子的稳定性和局部递送[26][27][28]。视黄酸（RA）是一种参与细胞迁移和增殖、上皮修复、细胞外基质重塑和炎症调节的生物活性小分子[29][30]。先前的研究探讨了将RA整合到基于聚合物的生物材料中。例如，Alahmmar等人将RA整合到PCL/CeO?电纺纳米纤维中，证明了将RA与基于PCL的纤维材料结合用于药物递送应用的可行性[31]。然而，这种直接混合主要依赖于药物在聚合物基质内的物理捕获，难以独立控制支架微观结构和界面药物呈现。最近，Chen等人开发了RA@lipo-GelMA/PDA微球，在其中使用脂质体和GelMA网络来保护光敏RA并提供持续的释放以促进伤口愈合[32]。尽管这些方法改善了局部RA递送，但稳定的RA固定、时间释放控制及其与精确定义的支架的整合仍不够充分。因此，在不影响MEW-PCL支架有序微纤维架构的情况下，将其表面引入RA可能为协调结构引导和阶段依赖的生化调节提供合适的途径。
基于这些考虑，开发了一种视黄酸功能化的MEW-PCL微纤维支架，结合了精确的结构引导和阶段依赖的生化调节。如图1A所示，支架通过MEW制造形成有序的微纤维结构，然后进行表面功能化以创建一个RA改性的界面。该支架设计用于覆盖皮肤缺损区域（图1B）。在大鼠皮肤缺损模型中，支架在修复的早期阶段提供结构支持并引导细胞黏附和迁移，随后通过RA介导的生化调节细胞行为和组织重塑，从而实现皮肤修复的分阶段调节。本工作的主要贡献总结如下：
1. 通过EDC介导的共价接枝RA构建了PCL-RA支架。它结合了有序的微纤维结构和生化调节，实现了通过早期物理引导和后期RA介导的生化信号的分阶段控制。这为皮肤修复提供了新的阶段适应性支架策略。
2. 通过SEM/EDS、XPS、FTIR和Raman对支架进行了表征。结果证实，在多步骤表面功能化后，有序的微纤维结构得以保留，并且成功引入了RA，验证了这种策略的可行性。
3. 系统的体外和体内评估表明，PCL-RA支架加速了伤口闭合、上皮再生和有序的胶原蛋白重塑。转录组数据进一步揭示了调控细胞黏附、迁移、细胞骨架重塑和炎症调节的途径的变化，证明了其在皮肤修复中的有效性。

材料
聚己内酯（PCL6800，Mn约为80,000 g/mol）和定制的熔融电写（MEW）系统（EFL-BP6601）来自苏州永全冠有限公司（中国苏州）。全反式视黄酸（RA，试剂级）从Sigma-Aldrich购买。
其他化学品和试剂如下：儿茶素（Aladdin，上海，中国），1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl，Aladdin，上海，中国），二甲基亚砜（DMSO，Aladdin，上海，中国），钠

表面性质
通过扫描电子显微镜（SEM）和能量分散X射线光谱（EDS）对PCL、PCL-NH?和PCL-RA支架的表面形态和元素分布进行了表征，如图2A所示。原始的PCL支架表现出相对平滑的微纤维和规则的方形网格结构，表明MEW打印过程的结构保真度很高。经过NaOH处理和乙二胺（EDA）氨基化后，表面有一定的蚀刻和粗糙化。

讨论
皮肤是人体最大的器官，因此皮肤伤口修复在临床医学和组织工程中非常重要[2][4]。由于皮肤修复是一个动态过程，修复材料在不同阶段的功能需求也有所不同[12]。理想的支架应在早期阶段提供稳定的结构支持，在后期阶段提供有效的生化调节。然而，许多现有策略主要集中在其中一个功能上。

结论
本研究开发了一种基于MEW-PCL微纤维支架的RA功能化皮肤修复系统。通过表面氨基化、EDC介导的RA耦合和随后的儿茶素处理形成了稳定的功能界面。MEW支架保持了大约15 μm的纤维直径和200 μm的纤维间距的有序微纤维结构。其整体架构和机械性能在多步骤表面修饰后仍然稳定。

CRediT作者贡献声明
Mengrong Du：撰写——原始草稿，验证，数据管理，概念化，撰写——审阅与编辑。
Kaiyang Wang：撰写——原始草稿，数据管理，方法学，撰写——审阅与编辑。
Linxin Yang：验证，可视化。
Zhiyong Ma：撰写——审阅与编辑，监督，方法学，资金获取，概念化。

伦理批准
动物研究获得了杭州医学院实验动物中心的批准（伦理批准编号：ZJCLA-IACUC-20011366）。

利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。

致谢
本工作得到了中央政府地方科技发展指导基金项目（2025ZY01056）和浙江省财政项目（2025E10113）的支持。

Mengrong Du | Kaiyang Wang | Linxin Yang | Zhiyong Ma