方案图示： 概括了3DPF补片的整体设计与功能：通过3D打印构建框架，电纺修复层（bFGF@4A-GPO）和抗菌层（EMO/妥布霉素），实现机械支撑、免疫调节（M1→M2）、抗感染和促血管生成的多重功能协同。

创新亮点

• 胶原模拟肽（GPO）：研究团队以胶原蛋白中富含的Gly-Pro-Hyp（GPO）三肽序列为核心，通过固相合成法将其与四臂聚乳酸-羟基乙酸共聚物（4A-PLGA）结合，形成4A-GPO复合物。该结构保留了胶原的β-转角构象（通过圆二色谱验证），显著提升了材料的生物活性和热稳定性（TGA显示降解温度提升至250–300℃）。

•生物相容性增强：溶血实验证实4A-GPO的溶血率低于5%，远优于未修饰的4A-PLGA，归因于GPO的亲水性降低了红细胞膜相互作用。

2. 多技术融合：3D打印与静电纺丝的协同

分层结构设计：

•3D打印层：以PCL/溶菌酶墨水构建宏观多孔框架（纤维直径约625.9 μm），提供机械支撑（拉伸强度达9 MPa）和营养传输通道。

•修复层：通过乳液静电纺丝将bFGF@4A-GPO负载于纳米纤维（直径209.3 nm）中，实现生长因子缓释（14天释放33.54%，56天达92.57%），促进细胞增殖（72小时活性提升150%）和迁移（划痕实验显示伤口闭合率85%）。

•抗菌层：静电纺丝负载黄芩素（EMO）和妥布霉素的疏水纤维（接触角128.8°），对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌率达100%。

3. 功能协同：免疫调控与抗粘连

•巨噬细胞极化：3DPF补片通过GPO与CD206受体的氢键结合（分子对接验证），促进促炎M1型向抗炎M2型转化（免疫荧光显示iNOS↓、CD206↑），降低炎症因子IL-6和TNF-α表达。

•抗粘连与促再生：大鼠腹壁缺损模型中，3DPF组30天后无粘连（评分接近0），胶原沉积有序（Masson染色显示III型胶原↑），血管生成（CD31表达显著增加）和组织完整性显著优于对照组。

4. 分子机制解析

• 转录组学分析：3DPF下调IL-17炎症通路（NES=-2.18），上调细胞黏附分子通路（NES=2.0053），协同促进微环境重建。

•分子对接：GPO与VEGF、COL3等关键分子相互作用（如与COL3的SER-26结合），增强血管生成和基质重塑。

图文解析

图1： 展示了4A-GPO的合成与表征过程，包括GPO三肽的分子结构、圆二色谱（CD）分析显示的β-转角构象、紫外吸收光谱验证的浓度依赖性吸收特性，以及核磁共振（1H-NMR）和红外光谱（FTIR）确认的化学键合。热重分析（TGA）证明4A-GPO的热稳定性提升至250–300°C，溶血实验则证实其优异的生物相容性（溶血率<5%）

 

图2： 描述了bFGF@4A-GPO乳液电纺纳米纤维支架的制备及其生物功能。通过水包油（W/O）乳液法封装bFGF，实现生长因子的均匀分布和缓释。细胞实验显示，该支架显著促进L929细胞增殖（72小时活性提升150%）、迁移（划痕愈合率85%）和抗氧化能力（DPPH自由基清除实验），优于直接混合的对照组

 

图3： 呈现了3DPF补片的多层结构设计与性能表征。3D打印层（PCL/溶菌酶）提供宏观多孔支撑（纤维直径~625.9 μm），修复层（bFGF@4A-GPO电纺纤维，直径209.3 nm）具有亲水性（接触角67.8°），抗菌层（EMO/妥布霉素电纺纤维，直径416.9 nm）则表现为疏水性（接触角128.8°）。力学测试显示3DPF兼具高强度（9 MPa）和柔韧性（可弯曲不断裂）

 

图4： 阐明了3DPF补片的体外生物相容性与抗菌机制。共培养实验证实其3D结构引导细胞有序生长，分子对接揭示GPO通过氢键与整合素（如GLY-338、SER-242等）结合，增强细胞黏附。抗菌实验显示其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的完全抑制（抑菌圈和菌落计数验证），归因于EMO和妥布霉素的协同释放及疏水表面特性

 

图5： 通过大鼠腹壁缺损模型验证3DPF的治疗效果。术后30天，3DPF组无粘连（评分近0），H&E和Masson染色显示组织修复完整、胶原排列有序（III型胶原↑），免疫荧光证实血管生成（CD31↑）和细胞增殖（Ki67↑），且炎症因子（TNF-α、IL-6）表达显著低于对照组

 

图6： 揭示了3DPF调控免疫微环境的分子机制。免疫荧光显示其促进巨噬细胞向抗炎M2型极化（iNOS↓、CD206↑）。转录组分析发现IL-17通路抑制（NES=-2.18）和细胞黏附通路激活（NES=2.0053）。分子对接表明GPO与COL3、VEGF等关键分子相互作用（如结合COL3的SER-26），促进组织再生

总结

本研究成功开发了一种仿生3DPF复合补片，巧妙地将 3D打印 和 静电纺丝 技术融合，为腹壁缺损的修复提供了创新的解决方案。该补片的设计灵感来源于胶原分子，其核心材料 4A-GPO 结合了GPO三肽的生物活性，并通过乳液静电纺丝技术与 bFGF 协同作用，显著提升了生物活性。它的优势是：具备良好可降解性、力学性能、免疫调节与抗菌能力；转录组+分子对接+动物实验的组合验证路径，为材料机制研究提供新范式；所有核心组分为明确结构的生物基分子，利于监管审批与临床转化。在未来的研究中可拓展至胸膜修复、硬脑膜替代、疝气修补等多种软组织工程；并且在现有的研究基础上可进一步结合感应释放系统、pH响应结构或光热控制机制等。期待未来更多团队借鉴这一“仿生设计+技术融合”的思路，推动再生医学产品的产业化进程！

文章来源：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00547-4