皮肤组织是人体面积最大且功能高度复杂的器官，承担屏障防护、机械支撑、体液平衡及免疫调节等关键生理功能。及时处理皮肤缺陷，常需同步构建用于治疗与屏障隔离的一体化复合敷料，在促进修复的同时以表层屏障保护创面并维持适宜环境。然而，传统的敷料和真皮替代物往往依赖于体外预制和二次使用，这既耗时又导致界面整合不佳。原位打印能够实现伤口护理敷料的就地制作；然而，现有手持式装置多以单一工艺为主，难以在临床上根据创面的深度、面积与几何形态的差异实现工艺的灵活切换，少数尝试集成两种或多种加工方式的研究中，系统兼容性与材料适配范围仍较受限制。为了更好的救治，能在同一手持式装置内实现多种成形模式一体化，并依据创面形态学特征进行工艺选择与分层敷料构建，将有望拓展原位治疗在应急场景下的适用范围。
近日，上海大学刘媛媛教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“A Hand-Held Digital Printer for On-Site Fabrication of Micro/NanoComposite Dressings”。研究者开发了一种集原位光交联挤出打印、喷涂、静电纺丝于一体的手持式数字打印机（HDP）。HDP结合了自适应温度控制单元，以稳定地调节水凝胶的流动性和凝胶行为，从而改善水凝胶的印刷性能。操作员可以根据伤口几何形状和所需功能切换和组合挤压、喷涂和静电纺丝模式，从而能够在单个手持设备内连续构建从“支架疗法”到“屏障隔离”的一体化复合敷料，为个性化的原位打印创伤治疗提供了工程上可行的装置基础。
如图1所示，HDP通过蓝牙与移动终端进行无线通讯，外壳采用 3D 打印制造，并以“主体模块 + 可更换功能头”的模块化方式完成装配与切换。在应用场景中，操作者可携带主体、功能头、预装材料以及药物或者细胞加载的材料，实现现场快速部署。随后，用户可在图形化界面中设定挤出速率与运行时序，相关指令经数字化处理后驱动步进电机进行精确出料控制，并通过选择不同的材料进行不同的打印方式。相较于以单一工艺为主的手持式装置，HDP在便携性、工艺灵活性与材料兼容性方面为创面原位治疗提供更完整的工程实现路径。
图1：HDP的设计理念
在原位光交联挤出打印中，通过温控装置与原位光交联的协同作用，使低粘度甲基丙烯酰化明胶（Gelma）有较好的可成形窗口（图2B），而且HDP能够提供稳定的材料输出控制（图2E）。进一步的，HDP能稳定产生丝状体并堆叠，具备三维结构构建能力（图2F），SEM扫描则揭示了原位光交联挤出的策略打印的丝状水凝胶仍具备孔隙，为细胞的附着、迁移和增值提供三维空间。体外打印测试表明，在手持式场景下，使用者可以手动调整路径实现预期的打印（图 2G），为进一步提升打印效率，通过设计微通道喷嘴以实现扁平丝状体打印（图2H）。
图2：HDP的原位光交联挤出打印性能。
HDP集成空气辅助喷涂模块，可将水凝胶前驱体系雾化并沉积为连续薄层，并与挤出或者静电纺丝工艺协同完成分层敷料的构建。黏度是影响喷涂的关键因素，黏度过低虽利于雾化，但材料易在创面表面扩散导致覆盖失控；黏度过高则雾化困难并增加喷嘴堵塞风险。为扩展可雾化窗口并兼顾沉积稳定性，本文设计了空气辅助喷嘴，通过高速气流破碎液体射流形成雾化锥（图3A）。与喷嘴协同的水凝胶由Gelma与海藻酸钠（SA）组成（GM/SA），SA作为增稠组分提高液体粘度与沉积后的液体保持能力。喷涂测试结果支持7%GM与1%SA组合具有可喷涂性（图3C），而且喷涂过程稳定（图3D）。此外，研究了最佳喷涂距离以及模拟了受体表面的受力，结果表明，14cm是推荐喷涂距离，该距离下的受体表面法向压力峰值为0.026Pa(图3E、F)，低于报道的疼痛压力阈值。另外，水凝胶经过光交联之后仍具有大量的孔隙，从而支持细胞的生长与药物释放，而姜黄素的释放曲线表明姜黄素持续缓释，为喷涂载药提供了证据（图3G、H）。
图3：HDP的喷涂性能。
静电纺丝是一种高效的纳米/微米纤维构建技术，可制备具有高比表面积与互联多孔结构的纤维支架，因其形态与尺度接近天然细胞外基质而被广泛应用于创面敷料构建。HDP集成了静电纺丝单元，用于在创面表面原位形成连续贴合的物理屏障，阻断外界污染。COMSOL的静电场模拟揭示了不同电压下的最佳纺丝距离（图4A）。对常见的纺丝聚合物溶液进行原位电纺，包括聚氧化乙烯(PEO)以及聚乙烯醇缩丁醛（PVB）等。扫描电镜结果显示，各体系均可形成连续纤维网络，未观察到明显珠状缺陷或断丝，纤维直径分布相对集中（图4B、C）。此外，HDP还支持原位细胞电纺，在5%PEO溶液中添加间充质干细胞（MSCs， (1×107cell/ml)）制备载细胞纤维薄膜。如图4D所示，电纺完成立即进行电镜扫描的结果表明，纤维网络对细胞形成包覆；而培养至第3，5天时，观察到细胞在纤维膜内扩展。活死染色结果表明，经过静电纺丝处理的细胞仍大量存活，活性达到了92.5%，与未经过静电纺丝处理的细胞活性相差无几(94%)（图4E、F）。以上结果表明，HDP拥有稳定的静电纺丝功能，能用于在挤出打印/喷涂形成的水凝胶基底上进一步构建纤维薄膜，从而实现“支架—屏障”复合敷料的原位制备。
图4：HDP的静电纺丝性能
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.6c03701
人物简介：
刘媛媛，上海大学机自学院教授，博士生导师。十余年来一直围绕生物制造与生物增材制造、柔性功能器件与智能可穿戴技术领域开展研究工作，期间先后赴美国密歇根大学、加拿大多伦多大学做访问学者；担任中国生物医学工程学会军事医学工程与卫生装备研究分会委员、中国修复重建外科专业委员会基础与材料学组委员、中国医药生物技术协会3D打印技术分会委员、中国医药生物技术协会生物材料学组委员、中国医药教育协会医用生物材料与技术专委会委员、中华医学会整形外科学分会数字化学组委员、中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会委员、Bioengineering期刊特约编委、Biofabrication、ACS Applied Material & interface等期刊审稿人；主持国家自然科学基金、军委科技委重点项目、省部级及医院委托项目二十余项，发表学术论文80余篇，获发明专利授权30余项，荣获第二十届国际工业博览会高校展区特等奖，国家科技进步二等奖、第20届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖，多项成果被美国物理联合会报道、highlight，并被 ScienceDaily、ScienceNews转载 、研究工作也得到了中央电视台、科技日报等的报道。
