基于Vat 3D打印的GelMA-dopa/MOFs复合敷料用于精准光动力/光热协同抗菌治疗

《Biomaterials Advances》：Vat 3D printing of GelMA-dopa/MOFs composites wound dressings for precise photodynamic/photothermal therapy

　　

细菌感染是阻碍创面愈合的主要因素，会延缓组织修复并使慢性创面的管理复杂化。在此背景下，基于光的抗菌策略，特别是光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT），已成为有前景的替代方案，因为它们创伤小且通常比传统抗生素更不易产生耐药性。PDT通过激活光敏剂产生活性氧（ROS）来杀灭细菌，ROS会对必需细胞组分造成不可逆的氧化损伤。相比之下，PTT依赖光热剂将光转化为局部热量，通过蛋白质变性和破坏膜完整性导致细菌死亡。 目前，多种光敏材料——包括黑磷、金属有机框架（MOFs）、MoS2和聚集诱导发光体（AIEgens）——已显示出强大的PDT/PTT功效，并在感染创面治疗中具有相当大的潜力。然而，这些纳米制剂传统的局部给药方式面临两大限制。机械摩擦和创面渗出液可迅速清除表面施用的制剂，降低局部浓度和治疗效果，而创面部位的系统吸收可能导致光毒性副作用。为解决这些问题，研究人员开发了基于水凝胶的PDT/PTT平台，将光敏剂物理限制在聚合物网络内，从而改善局部滞留并最大限度地减少脱靶暴露。此外，具有高保水性、模拟细胞外基质的3D网络和良好生物相容性的水凝胶在创面部位创造了接近生理状态的微环境，有利于细胞迁移、增殖和分化，最终促进组织重塑和功能恢复。 然而，治疗复杂创面的临床需求日益增长，这对光治疗水凝胶敷料的个性化应用提出了重大挑战。这一挑战源于创面组织几何形状、硬度和解剖位置的固有异质性。具有均质结构的传统块状水凝胶通常难以贴合不规则或受解剖结构限制的创面部位。相比之下，可注射水凝胶由于模量低，可以轻松适应不平整的创面表面。然而，它们往往机械强度有限且降解快，在长期使用中耐久性不足。作为替代方案，可以使用扫描设备获取3D创面几何形状，并通过计算机辅助3D打印将其转化为与缺损匹配的水凝胶敷料。凭借可调的理化特性和精确的结构可定制性，先进的3D打印水凝胶已证明在软骨、肌肉、神经和血管等复杂组织修复中具有广泛适用性。值得注意的是，3D打印还实现了远程按需制造，为未来太空探索任务提供了巨大潜力，因为在这些任务中医疗物资受限且从地球补给不切实际。 基于数字光处理（DLP）的增材制造是一种高精度、高吞吐量的3D打印技术。它利用投影仪以逐层方式选择性光聚合树脂，从而精确制造复杂的3D结构。与其他3D打印方式相比，DLP具有明显优势：更高的打印分辨率和尺寸保真度、更快的制造速度以及更好的表面质量。越来越多的证据表明，DLP为利用合成和天然来源的前体工程化具有复杂3D结构的凝胶提供了有效途径。明胶甲基丙烯酰（GelMA）、甲基丙烯酰化透明质酸和丝素蛋白衍生物等可光固化生物材料基质已被广泛探索用于组织工程、创面修复和药物递送。更重要的是，DLP打印促进了多种治疗药物和纳米颗粒在这些基质中的精确原位整合，从而能够开发具有定制生物效应的多功能敷料，用于精准和按需治疗。然而，很少有DLP可打印水凝胶系统被报道能同时实现良好的打印保真度、抗冻耐受性和增强的光治疗活性。此外，目前DLP打印的光治疗水凝胶大多依赖光敏填料的直接负载，而通过打印后配位化学来放大协同PDT/PTT性能的研究仍 largely 未被探索。 基于上述进展，研究人员开发了一种基于DLP的光治疗水凝胶平台，该平台将可编程3D结构与化学增强的光动力和光热功能协同整合。具体而言，利用多巴胺修饰的GelMA（GMD）化学，研究人员引入了甘油共溶剂体系，以同时改善DLP加工性和光学透明度。选择卟啉基金属有机框架（PCN-224）作为光活性填料，因为它具有双重光敏化能力。重要的是，研究人员建立了打印后FeCl3处理，在打印水凝胶内构建Fe3+-儿茶酚配位。这种简便的配位化学将光动力和光热活性分别放大了2.6倍和1.4倍。研究人员系统评估了该平台对临床相关病原体（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）的抗菌功效、生物相容性以及在感染创面模型中的治疗性能。此外，研究人员还考察了甘油-水二元网络的耐环境性，将其适用性扩展到极端寒冷和干旱条件。这项工作展示了数字制造、配位化学和合理材料设计如何汇聚在一起，创造出适应性强的、患者特异性的创面护理解决方案。

论文解读：基于Vat 3D打印的GelMA-dopa/MOFs复合敷料用于精准光动力/光热协同抗菌治疗

一、研究背景与问题提出

细菌感染是阻碍创面愈合的主要障碍，会延缓组织修复并使慢性创面的管理复杂化。基于光的抗菌策略，特别是光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT），因其微创性和不易诱导耐药性的特点，已成为传统抗生素的有前景替代方案。PDT通过激活光敏剂产生活性氧（ROS）对细菌必需组分造成不可逆氧化损伤；PTT则依赖光热剂将光能转化为局部热量，通过蛋白质变性和膜完整性破坏导致细菌死亡。

目前，黑磷、金属有机框架（MOFs）、MoS₂和聚集诱导发光体（AIEgens）等多种光敏材料已显示出良好的PDT/PTT功效。然而，传统局部给药方式存在两大局限：机械摩擦和创面渗出液会快速清除表面施用的制剂，降低局部浓度和治疗效果；创面部位的系统吸收可能导致光毒性副作用。为此，基于水凝胶的PDT/PTT平台被开发出来，将光敏剂物理限制在聚合物网络内，改善局部滞留并减少脱靶暴露。但治疗复杂创面的临床需求对光治疗水凝胶敷料的个性化应用提出了重大挑战：传统块状水凝胶难以贴合不规则创面，可注射水凝胶机械强度有限且降解快。3D打印技术为制备缺损匹配的个性化敷料提供了新途径，其中数字光处理（DLP）技术具有高分辨率、高保真度和快速制造的优点。然而，目前很少有DLP可打印水凝胶系统能同时实现良好的打印保真度、抗冻耐受性和增强的光治疗活性，且通过打印后配位化学放大协同PDT/PTT性能的研究尚属空白。因此，本研究旨在开发一种整合可编程3D结构与化学增强光功能的DLP光治疗水凝胶平台。

二、研究内容与核心结论

研究人员开发了一种基于DLP的光治疗水凝胶平台，通过多巴胺修饰的GelMA（GMD）化学引入甘油共溶剂体系，同时改善了DLP加工性和光学透明度。选择兼具双重光敏化能力的卟啉基金属有机框架（PCN-224）作为光活性填料，并建立了打印后FeCl₃处理以构建Fe³⁺-儿茶酚配位。这种配位化学将光动力和光热活性分别放大了2.6倍和1.4倍。系统评估表明，该平台对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）具有显著抗菌功效，具备良好的生物相容性，并在感染创面模型中展现出优异的治疗性能。此外，甘油-水二元网络赋予水凝胶优异的抗冻和保湿性能，拓展了其在极端环境下的应用潜力。这项工作展示了数字制造、配位化学和合理材料设计的融合，为创建适应性强的患者特异性创面护理解决方案提供了新思路。

三、关键技术方法概述

研究采用的主要技术方法包括：1）通过EDC/NHS偶联反应合成GelMA和GMD，利用溶剂热法合成PCN-224 MOFs纳米晶体；2）配制含GMD、光引发剂TPO-SDS、PCN-224和PEGDA的甘油/水（GW）或纯水（W）前驱体溶液，采用Asiga MAX X27 DLP 3D打印机（385 nm波长，27×27 μm²名义XY分辨率）进行光固化打印，打印参数经光固化深度-光强/曝光时间函数模型优化；3）打印后经FeCl₃-GW溶液处理构建Fe³⁺-儿茶酚配位。表征手段包括核磁共振（¹H NMR）、紫外-可见光谱（UV-vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，并结合差示扫描量热法（DSC）、动态力学分析（DMA）和流变学测试评估热学、力学及光流变行为。

四、研究结果

4.1 材料合成与表征

通过¹H NMR确认了GelMA和GMD的成功合成，多巴胺接枝量通过标准曲线测定。UV-vis和FTIR光谱证实了PCN-224的成功合成及其特征吸收峰。XRD和XPS分析确认了MOFs的晶体结构和化学组成。SEM和TEM观察显示PCN-224具有典型的纳米晶体形貌，粒径统计通过Nano Measurer软件完成。

4.2 DLP打印性能与保真度

通过Materials Test程序建立了光强、曝光时间与固化深度之间的函数关系，据此优化了打印参数。光流变学测试表明前驱体溶液在紫外照射下快速固化，存储模量（G'）实时上升。3D光学扫描仪分析显示打印物体与原始STL模型高度吻合，几何偏差以彩色热图可视化，证明了优异的打印保真度。

4.3 甘油-水体系的环境耐受性

DSC分析表明甘油-水二元网络显著降低了水凝胶的凝固点，赋予其抗冻性能。DMA测试在-40°C和37°C下均表现出稳定的力学性能。水保留测试显示GMD/MOFs-GW水凝胶在40°C、10%相对湿度的干燥环境中具有显著优于纯水体系的保水能力，表明甘油共溶剂体系增强了水凝胶在极端寒冷和干旱条件下的环境适应性。

4.4 光学透明性与粘附性能

可见光透过率测试表明甘油-水体系水凝胶具有更高的光学透明度，有利于光治疗应用。基于ASTM F2258标准的猪皮粘附力测试显示水凝胶具有良好的皮肤粘附强度，有利于创面敷料的稳定固定。

4.5 光动力与光热活性增强

ABDA降解动力学实验表明，Fe³⁺-儿茶酚配位处理后的GMD/MOFs/Fe³⁺-GW水凝胶产生单线态氧（¹O₂）的能力较未处理对照组增强2.6倍。红外热成像监测显示，在氙灯照射（~30 mW/cm²，λ≥420 nm）下，Fe³⁺配位水凝胶的表面温度升高幅度较对照组增强1.4倍，证实配位化学有效放大了协同PDT/PTT性能。

4.6 抗菌性能评估

以金黄色葡萄球菌（S. aureus，ATCC 6538）和大肠杆菌（E. coli，ATCC 43895）为模型菌株，平板计数法显示GMD/MOFs/Fe³⁺-GW水凝胶在光照15 min后对两种细菌均表现出显著的杀灭效果。抑菌圈实验进一步验证了其抗菌活性，且优于负载四环素（TH）的释放型抗菌对照组。SEM观察细菌形态显示，光照处理后细菌细胞膜破裂、形态严重受损，证实了PDT/PTT协同杀菌机制。

4.7 生物相容性评估

溶血实验表明所有水凝胶组的溶血率均处于安全范围内，具有良好的血液相容性。CCK-8细胞毒性实验显示，L929小鼠成纤维细胞与GMD/MOFs/Fe³⁺-GW水凝胶浸提液共培养48 h后细胞活力保持良好，证明材料无显著细胞毒性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，Fe³⁺-儿茶酚配位通过增强MOFs的光敏化效率和光热转换能力，实现了PDT/PTT活性的协同放大。甘油-水二元网络不仅改善了DLP打印的加工性和光学透明度，还赋予了水凝胶优异的抗冻和保湿性能，使其适用于极端环境下的创面护理。3D打印技术实现了创面几何形状的个性化匹配，克服了传统块状水凝胶和可注射水凝胶的局限性。

研究结论表明，研究人员成功开发了一种基于DLP 3D打印的GMD/MOFs/Fe³⁺-GW光治疗水凝胶敷料平台。该平台通过打印后Fe³⁺-儿茶酚配位化学将PDT和PTT活性分别放大2.6倍和1.4倍，对S. aureus和E. coli表现出优异的协同抗菌效果，同时具备良好的生物相容性和环境耐受性。这项工作证明了数字制造、配位化学和合理材料设计的融合能够创造出适应性强的患者特异性创面护理解决方案，为复杂创面的精准光治疗提供了新的技术途径，并在极端环境（如太空探索）中具有潜在的应用前景。