Bioactive 3D-Printed Composite Scaffolds Based on Hydrogels Containing Grape Peel Extract-Loaded Silica Nanoparticles for Drug Delivery and Tissue Engineering
本研究开发并表征了由负载葡萄皮提取物的介孔二氧化硅纳米颗粒增强的生物活性 3D 打印海藻酸钠–明胶–黄原胶水凝胶支架，该支架通过增强的稳定性、受控的药物释放以及对前成骨细胞优异的细胞相容性，展示了其在组织工程领域的潜力。
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在再生医学领域，科学家们一直在寻找能够作为新组织临时家园的材料。想象一下一种支架，这是一种三维结构，能够像支撑攀缘藤蔓的格栅一样，支持细胞生长。为了让这些结构发挥作用，它们必须足够柔软且湿润，以模拟人体的自然环境，同时又要足够坚固，以便在新组织形成时保持其形状。该领域的一个主要挑战是将药物直接输送到损伤部位。许多强效药物如果不经过处理，如果只是简单地混合在材料中，会变得不稳定或溶解得太快，从而无法发挥效用。因此，研究人员正在探索将这些药物捕捉在微小的多孔容器中的方法，使其随时间缓慢释放，同时将食品工业的废弃物转化为有价值的医疗工具。
罗马尼亚的一个研究小组结合了这些思路，创造出一种新型的 3D 打印支架，旨在帮助修复骨骼和软组织。他们的研究始于酿酒业的一种常见副产品：葡萄皮。在葡萄被压榨酿酒后，剩下的皮、籽和果肉通常被当作废弃物丢弃。然而，这些葡萄皮富含被称为多酚的天然化合物，其中包括白藜芦醇，这种物质以其减轻炎症和促进血管生长的能力而闻名。研究人员致力于从葡萄皮中提取这些有益化合物，并将其锁在一个保护壳内，然后将它们嵌入到一种可打印的软凝胶中。
该过程首先是创建一种特殊类型的二氧化硅——一种经过纳米级工程设计的沙状材料，使其布满了微小的孔洞。团队使用化学方法制造了这些颗粒，创造了两个具有不同孔隙率的略有不同的版本。随后，他们提取葡萄皮萃取物，让二氧化硅颗粒吸收它，使微观孔隙充满生物活性液体。接着，他们将这些装载了萃取物的二氧化硅颗粒混合进一种由三种天然聚合物组成的浓稠果冻状墨水中：来自海藻的藻酸盐、源自动物胶原蛋白的明胶以及黄原胶。这种混合物被装入 3D 打印机，通过逐层挤出墨水来构建具有复杂开放网络孔隙的圆柱形结构。为了确保结构稳固，打印出的物体经过了钙溶液和轻微化学交联剂的处理，将柔软的墨水转变为稳定的海绵状支架。
研究人员通过多种方式测试了这些支架的表现。他们发现，添加二氧化硅颗粒使打印结构变得更加稳定。如果没有二氧化硅，柔软的凝胶支架在打印过程中往往会因自身重量而坍塌，失去形状。有了内部的二氧化硅颗粒，支架能够保持其预期的几何形状和孔隙结构。团队还观察到，与纯凝胶支架相比，二氧化硅增强型支架在模拟体液中的吸水率较低，且降解速度较慢。这种缓慢的降解对于组织工程至关重要，因为它为新细胞生长并接管结构提供了足够的时间，直到支架消失。
为了观察这种材料对活细胞是否安全，研究人员将小鼠骨细胞直接放置在支架上。两天后，细胞存活且健康，没有出现细胞膜受损的迹象。在强力显微镜下，可以看到细胞附着在支架粗糙的表面上，并栖息在打印线条之间的开放空间内。研究还追踪了葡萄萃取物从材料中释放的过程。二氧化硅颗粒充当了储库的角色，储存着多酚，并随着时间的推移逐渐释放，而不是一次性全部倾倒出来。这种缓慢释放的过程表明，该材料可以为伤口部位提供持续稳定的愈合化合物供应。
研究结论指出，这种方法成功地将农业废弃物转化为功能性的医疗器械。通过将葡萄皮提取物装载进多孔二氧化硅并将其打印进生物相容性凝胶中，该团队创造了一种既具有结构稳定性、对细胞安全，又具备递送治疗性化合物能力的支架。虽然这项工作仍处于早期阶段，尚未在活体动物身上进行测试，但结果为未来提供了一条充满希望的路径。这种材料提供了一种将废物减量、受控药物递送和组织支持结合在单一 3D 打印平台上的方法，未来有望帮助修复受损的骨骼和组织。
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