多功能3D打印海藻酸盐乳凝胶贴片掺入植物提取物用于潜在的烧伤伤口应用

《Gels》：Multifunctional 3D-Printed Alginate Emulgel Patches Incorporating Plant Extracts for Potential Burn Wound Applications

　　

多功能敷料能够维持湿润环境、支持组织再生并递送生物活性化合物，正被越来越多地探索作为烧伤伤口管理的有前景策略。在这项研究中，研究人员通过挤出式3D打印开发了掺入亲水性和亲脂性植物提取物的基于海藻酸盐(alginate)的乳凝胶(emulgel)贴片，作为用于烧伤伤口应用的潜在局部系统。配方包括海藻酸钠(sodium alginate)、透明质酸(hyaluronic acid)以及金盏花(Calendula officinalis)、洋甘菊(Matricaria chamomilla)和大车前草(Plantago major)的水甘油提取物，以及沙棘(Hippophae rhamnoides)和贯叶金丝桃(Hypericum perforatum)的油提取物。研究人员对乳凝胶进行了pH、流变行为(rheological behaviour)、铺展性(spreadability)、物理稳定性(physical stability)、表观流体动力学尺寸分布(apparent hydrodynamic size distribution)、zeta电位(zeta potential)、总多酚含量(total polyphenol content)和抗氧化活性(antioxidant activity)评估。在Ca²⁺诱导交联后，获得了均匀且柔韧的3D打印贴片，并进一步表征了药剂学(pharmacotechnical)、物理化学(physicochemical)、结构(structural)、功能(functional)和生物学(biological)特性。乳凝胶表现出适合挤出式打印的特性，而所得贴片显示出良好的尺寸均匀性、柔韧性、溶胀能力(swelling capacity)、水蒸气透过率(water vapour transmission rate)以及与局部应用兼容的表面pH。傅里叶变换红外光谱(FTIR)、动态光散射(DLS)、扫描电子显微镜(SEM)和扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱(SEM-EDX)分析支持了Ca²⁺交联海藻酸盐网络的形成，并证实存在结构异质域且钙分布均匀。贴片保留了植物源性生物活性化合物，总多酚含量为0.2878 ± 0.016 mg GAE/g水合贴片，与相应的乳凝胶相比表现出增强的抗氧化活性。体外释放研究表明多酚在24小时内呈时间依赖性扩散，累积释放率达到64.42%。贴片还表现出1270 ± 93 g/m²/24 h的水蒸气透过率，表明具有足够的湿度调节能力。在较低测试浓度下，HaCaT细胞活力保持在90%以上，显示出良好的生物相容性(biocompatibility)特征。总体而言，所开发的3D打印海藻酸盐乳凝胶贴片代表了用于潜在烧伤伤口管理的有前景的多功能系统，并值得进一步的临床前研究。

论文解读文章

研究背景与问题：烧伤和慢性伤口是重大医疗挑战，其复杂愈合过程、高感染易感性和常见并发症（如瘢痕和功能障碍）给临床带来显著困难。传统敷料如基础纱布、乳膏和抗生素效果有限，需频繁更换，且不能充分支持愈合。现代伤口管理依赖于“湿润伤口愈合”概念，通过维持适宜湿度加速上皮化、减少炎症和瘢痕；同时，控制氧化应激（reactive oxygen species过度产生）成为促进组织再生的关键。植物提取物富含酚类、萜类、类胡萝卜素等活性成分，具有抗氧化、抗微生物、抗炎和组织修复作用。然而，现有研究多使用单一提取物或简单水凝胶，缺乏同时整合亲水和亲脂植物提取物并利用3D打印（3D printing）实现结构精确定制的多功能系统。因此，本研究旨在开发基于海藻酸盐（alginate）的乳凝胶（emulgel），结合多种植物提取物（亲水性及亲脂性），通过挤出式3D打印和Ca²⁺交联制备结构明确的贴片，并全面表征其理化、结构、功能及生物相容性，评估其在烧伤伤口应用中的潜力。该论文发表在《Gels》期刊上。

关键技术方法（≤250字）：植物材料于2025年7月和8月采集自罗马尼亚Dumitre?ti村（金盏花、洋甘菊、沙棘）和Stoene?ti村（大车前草、贯叶金丝桃）。水甘油提取通过超声辅助制备，油提取通过冷浸渍法（向日葵油）获得。乳凝胶配方含海藻酸钠、透明质酸、水甘油提取物及油提取物，采用高剪切均质制备。3D打印使用CELLINK BIO X生物打印机（气动挤出，13 kPa压力，13.1 mm/s速度，0.2 mm层高，100%填充网格）。交联采用2% CaCl₂溶液喷雾后浸泡5 min。主要表征技术包括：pH计、旋转粘度计、Brookfield DV2T粘度计（Casson模型）、Folin-Ciocalteu法测总多酚（TPC）、ABTS法测抗氧化活性、扫描电子显微镜（SEM）、SEM-EDX、原子力显微镜（AFM）纳米压痕、动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、USP Apparatus 2体外释放实验、MTS法HaCaT细胞活力测试。

研究结果与结论：

2.1 植物提取物的植物化学表征：通过Folin-Ciocalteu法测定总多酚含量（TPC），金盏花提取物最高（0.824 mg GAE/mL），大车前草（0.715 mg GAE/mL）和洋甘菊（0.671 mg GAE/mL）次之；HPLC-UV指纹图谱确认各提取物特征成分。沙棘油提取物总类胡萝卜素含量为4.035 mg/100 g，贯叶金丝桃油提取物检测到金丝桃素相关化合物。这些结果说明植物提取物富含亲水和亲脂活性成分，为后续乳凝胶功能提供基础。

2.2 海藻酸盐乳凝胶的稳定性与理化表征：乳凝胶pH在6.02–6.14范围内稳定30天，接近皮肤pH。流变测试显示非牛顿剪切变稀行为，在100 rpm下粘度从10990 mPa·s降至9968 mPa·s（30天）。Casson模型求得的屈服应力为0.324 Pa，支持其可打印性。结构恢复实验显示，经高剪切后粘度恢复至初始的87.1%，证明网络重建能力。铺展性随载荷增加而增大（22.28–24.50 mm）。物理稳定性试验（温度变化、离心、冻融）表明无相分离，膏体指数约1%。乳凝胶TPC为0.2146 mg GAE/g。这些结果说明乳凝胶具有适合挤出打印和局部应用的理化性质。

2.3 通过3D打印制备乳凝胶贴片：挤出式3D打印成功获得均匀正方形贴片，CaCl₂交联后形态更紧致但完整，无变形或破损，证明打印参数和交联条件合适。

2.4 3D打印贴片的药剂学与理化表征：重量均匀性（0.7436±0.0187 g）、尺寸分析（边长22.88±0.14 mm，厚1.47±0.23 mm）。折叠耐力超过300次，说明柔韧性优异。干燥失重90.02%，表明高含水量。表面pH在蒸馏水中6.28–6.44，PBS中7.29–7.37，均符合生理范围。溶胀能力58.24%，水蒸气透过率1270±93 g/m²/24 h，属于半封闭敷料范围。贴片TPC为0.2878 mg GAE/g水合贴片（高于乳凝胶），归因于交联后基质致密化。以上结果表明贴片具备良好的尺寸一致性、机械柔顺性、保湿调节能力和活性成分保留。

2.5 乳凝胶与3D打印贴片的结构表征：SEM显示乳凝胶呈异质不规则形态；交联后贴片表面更致密、连续，且可见球形微域（油滴包埋）。SEM-EDX证实钙均匀分布（原子百分比3.46 at%）。AFM纳米压痕测得杨氏模量46.2 kPa，表明形成柔软水凝胶网络。DLS显示乳凝胶中液滴/聚集体呈微米级分布，zeta电位?20.47 mV，说明中等稳定性。FTIR分析表明交联后羧酸根区域谱带分裂和位移，确认Ca²⁺与海藻酸盐形成蛋盒结构（egg-box structure），且脂质成分（沙棘油、维生素E）保留。这些结果证实了离子交联网络的形成和成分完整性。

2.6 功能与生物学评价：

2.6.1 抗氧化活性：ABTS法测定IC50，乳凝胶为8.26 mg/mL，贴片为5.63 mg/mL，Trolox当量浓度在4 mg/mL时贴片达5.22 μmol/mL（乳凝胶4.23 μmol/mL），说明贴片抗氧化活性更强，可能与交联后TPC升高有关。

2.6.2 体外多酚释放：贴片在PBS-乙醇（70:30）中24小时累积释放64.42%，呈双相释放（初始2小时28.68%爆发，后续缓慢上升）。动力学拟合显示Korsmeyer-Peppas释放指数n=0.221，Weibull形状参数b=0.434，表明扩散为主的多机制释放，受限于交联网络的阻碍和组分分配。

2.6.3 生物相容性评估：HaCaT角质形成细胞在6.25–800 μg/mL贴片提取物作用下，24–72小时低浓度下活力>90%，高浓度和时间延长时中度下降但仍可接受，且细胞保持上皮样形态，说明贴片具有良好细胞相容性。

总结讨论与结论：研究人员指出，3D打印海藻酸盐乳凝胶贴片的多功能性源于生物聚合物基质与多种植物活性成分的协同作用，提供物理保护、液体管理和生物活性。局限性包括释放研究仅以总多酚为标志物、仅用单层角质形成细胞模型，未来需在模拟伤口渗出液中延长释放检测、鉴定单个成分、评估抗菌抗炎活性，并在共培养、离体皮肤和体内烧伤模型中验证。

研究结论翻译：这项研究表明，含有亲水性和亲脂性植物提取物的3D打印海藻酸盐基乳凝胶贴片可作为用于潜在烧伤伤口应用的多功能系统。提取物提供了相关的生物活性成分——多酚(polyphenols)、类胡萝卜素(carotenoids)和金丝桃素相关化合物(hypericin-related compounds)，这些成分促进了配方的生物功能。所开发的乳凝胶表现出适合挤出式3D打印的理化、流变和稳定性特性，能够制造均匀且可重复的贴片。在Ca²⁺诱导交联后，贴片保持结构完整性，并展现出与伤口敷料应用兼容的特性，包括柔韧性、适当的表面pH、溶胀能力和足够的蒸汽透过率。SEM、SEM-EDX、FTIR和DLS分析共同证实了稳定的钙交联海藻酸盐网络的形成，同时保留了主要配方成分。所得贴片保留了植物化学功能，与初始乳凝胶相比展现出增强的抗氧化活性。贴片还表现出24小时内酚类物质的时间依赖性释放，主要由通过水合基质的扩散驱动。此外，HaCaT角质形成细胞活力测试显示出良好的生物相容性特征，支持该开发的系统适用于局部应用。综合来看，这些发现表明，所提出的3D打印Ca²⁺交联海藻酸盐乳凝胶贴片提供了结构稳定性、湿度调节性能、生物活性化合物递送、抗氧化活性和细胞相容性，突显了它们作为先进生物活性敷料用于烧伤伤口护理的潜力。本研究报告的令人鼓舞的结果支持对该开发系统的进一步研究。未来工作应包括在模拟伤口渗出液中的延长释放研究、单个释放植物成分的鉴定与定量、抗菌和抗炎评估，以及在高级生物模型（如角质形成细胞-成纤维细胞共培养、离体皮肤模型和体内烧伤伤口愈合研究）中的测试。这些研究将有助于更全面地评估所提出贴片系统的治疗性能和临床适用性。