生物活性与抗菌功能涂层的3D打印高密度聚乙烯耳廓支架用于耳廓重建

来源： EngineeringForLife


多孔高密度聚乙烯（HDPE，Medpor®）是临床上最常用的耳廓重建植入材料之一，但由于其物理和化学性质（如刚性、疏水性和生物惰性等），常常会导致术后并发症，如炎症、感染、移位和挤压。此外，由于商品耳廓HDPE支架难以个性化生产，通常情况下术前须由外科医生通过手工雕刻、修剪来调整形状，以确保患者耳廓外形合适。

基于此，南方医科大学基础医学院黄文华、吴耀彬团队开发了一种具有生物活性和抗菌LBL（Layer-by-layer）涂层，用以修饰具有个性化外观的3D打印HDPE耳廓支架，以改善术中雕刻困难问题，降低术后并发症的发生率（图1）。相关工作以“3D-printed high-density polyethylene scaffolds with bioactive and antibacterial layer-by-layer modification for auricle reconstruction”为题发表在“Materials Today Bio”

图1 HDPE涂层耳廓支架的制备示意图

首先利用挤出试熔融3D打印技术制备多孔HDPE支架，随后进行pDA涂层活化，并被EPL和FIB逐层包裹。所制备的耳廓支架具有生物活性、抗菌、促进血管生成和促进皮肤组织生长的特性。

图2 pDA-、EPL-和FIB修饰3D打印HDPE支架的表征。(a)不同线径的HDPE支架制备示意图；(b) HDPE支架纤维直径随速度和压力参数变化的光学显微图像；(c) HDPE支架长丝直径定量分析；(d) pDA、EPL和FIB的涂层机理示意图；HDPE (e, f, g)、pDA (h, i, j)和pDA-EFE (k, l, m)支架的实物照片和相应的SEM图像

本研究，首先通过对挤出试3D打印的各项参数调整（如气压、针头、速度等），从而得到比较稳定孔径、线径的HDPE支架。随后，通过多巴胺（DA）自聚合作用，将聚多巴胺（pDA）涂附在HDPE表面，使其表面具有一定的生物活性，且具备一个“二级平台”的功能，并能进一步地粘附其它的功能涂层。pDA与具有抗菌功能的EPL（ε-polylysine）之间可以通过共价结合等方式，将EPL粘附在支架表面。而EPL携带大量的正电，可与FIB（Fibrin）所携带的负电进行电荷吸附，从而使得LBL活性功能涂层能够很好地粘附在支架表面（图2）。

图3 L929细胞在支架表面形态。L929细胞在HDPE (a, d)、pDA (b, e)和pDA- EFE (c, f)支架上用F-actin(绿色)和DAPI(蓝色)染色的共聚焦荧光显微镜图像的俯视图和3D视图。L929细胞分布在HDPE (g)、pDA (h)和pDA- efe (i)支架上的SEM图像。(j) L929细胞在支架上的分布示意图。(k)定量分析支架最上层和最下层的L929细胞数量。(l)支架顶层细胞间隙定量分析。(m)测量细胞纵横比的细胞伸长方案。(n) L929细胞在HDPE、pDA和pDA-EFE支架上的细胞长径比统计分析

进一步，利用小鼠表皮成纤维细胞（L929）对LBL涂层支架，进行细胞相容性及涂层活性功能评价。结果显示，具有pDA、LBL涂层的之间能更好地促进L929细胞的粘附、增殖及铺展，而LBL涂层能够更好地促进细胞在支架表面迁徙、铺展。说明了该涂层具有很好的生物相容性，以及促进皮肤细胞生长的功能（图3）。

图4 LBL涂层HDPE支架抗菌实验。(a)体外抗菌实验示意图及原理。pDA (b-d)和pDA-EFE (e-g)支架上金黄色葡萄球菌活性的SYTO-9/PI分析(j)。附着在pDA (h)和pDA-EFE (i)支架上金黄色葡萄球菌的SEM图像(k)

随后，对LBL涂层HDPE支架进行了一系列的抗菌检测实验。金黄色葡萄球菌和大肠杆菌作为内植入物术后最常见的感染菌种，因此我们将pDA和pDA-EFE支架浸泡在两种菌液中，一段时间后分别进行细菌活死染色及表面扫描电镜观察。由于EPL的抗菌性能和FIB干扰细菌粘附的特点，抗菌实验结果显示pDA-EFE涂层支架表面的细菌量、存活率明显要低于pDA支架表面，且粘附在表面的金黄色葡萄球菌表面发生破裂（EPL的作用主要为破坏细菌壁）（图4）。

图5 3D打印耳廓HDPE支架LBL涂层后体内实验。(a) HDPE(耳廓)支架制备工艺及植入方法示意图。(b)激光扫描确认HDPE(耳廓)支架打印精度。(c)基于有限元分析的原始模型位移梯度分布预测。(d) 28天后标本H&E染色图像，炎症细胞统计数据(f)。CD68(红色)和DAPI(蓝色)染色荧光图像(e)和定量分析(g)

最后，我们通过3D打印的方式制备了HDPE耳廓支架，通过三维扫描与设计图比对结果可以看出，通过3D打印技术可以很好地制备出高精度的HDPE耳廓支架。同时也进行了LBL活性功能涂层，并在SD大鼠的皮下进行了体内相容性、皮肤组织长入等检测。我们先将耳廓之间通过有限元分析的方式分为高偏移和低偏移两个区域，假设高偏移区域可能会由于应力集中而造成更强的炎症反应。实验结果表明，LBL活性功能涂层不仅可以缓解HDPE的异物反应炎症情况，而且可以很好地缓解应力集中所造成的炎症反应，从而使得皮肤组织也能够更好地长入支架内部。（图5）

总而言之，该研究开发了一种具有生物活性和抗菌LBL（Layer-by-layer）涂层，用以修饰具有个性化外观的3D打印HDPE耳廓支架，以改善术中雕刻困难问题，降低术后并发症的发生率。通过一系列的定性、定量的体内外实验中验证了该支架，具有个性化的结构特征与良好的表面生物功能活性，显示出优异的抗菌能力、生物相容性，并可减轻炎症反应、局部应力刺激，促进耳廓支架在体内与皮肤组织整合。本研究进一步说明了3D打印技术和LBL涂层方法相结合，具有制备工艺简单、生物安全性高等特点，在临床的各类植入物的相关应用方面具有广阔的潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100361