来自加州大学河滨分校与罗文大学的研究团队开发出一种可自供氧的生物工程贴片（SSOT），为组织工程长期存在的缺氧难题提供新方案。该技术通过电解水在水凝胶内部持续产生氧气，无需依赖血液供应即可提升细胞存活率，并促进血管生成。在动物实验中，该贴片显著加速糖尿病慢性伤口愈合，展现出良好的生物相容性与稳定性。这一创新有望推动3D生物打印、组织再生及再生医学在临床中的应用落地。
来自加州大学河滨分校与罗文大学的研究人员开发出一种可自我生成氧气的生物工程贴片，解决了组织工程领域长期以来尚未攻克的难题之一。
该研究还得到了加州大学伯克利分校、塔尔顿州立大学以及Terasaki生物医学创新研究所的参与。
该成果发表在Communications Materials上，论文描述了一种团队称为“智能自供氧组织系统”（SSOT）的平台。其工作原理是在一种特殊设计的凝胶中通入微小电流，该凝胶含有水，通过电解作用将水分子分解为氧气和氢气。氧气可按需直接释放到周围组织中，而无需依赖血液循环。
这一点至关重要，因为细胞只有在距离血管约 100 至 200 微米范围内才能存活，这大约相当于两根人类头发的宽度。在较薄的组织样本中，氧气可以自然扩散。但要构建足够厚、具有临床应用价值的组织——例如未来可替代受损器官或修复大面积创伤的组织——内部细胞往往距离任何血管过远而无法存活。
迄今为止的各种方法，包括携氧分子、多孔支架以及促进新血管生成的生长因子，都未能在新血管形成之前的关键阶段持续稳定地维持细胞存活。
SSOT 技术及其在组织工程中的功能表征。图片来源：Vaishali Krishnadoss 等，《Communications Materials》。
从内部生成氧气
SSOT 通过在支架内部直接生成氧气来绕过这一难题。该凝胶结合了 GelMA 与一种由胆碱构成的生物离子液体，胆碱是一种人体天然产生的营养物质。二者共同形成了一种具有导电性和黏附性的水凝胶，研究团队将其称为 BioGel，它既充当传导电流的电解质，也作为细胞生长的环境。
研究表明，用于驱动该反应的电极有两种版本。其中一种使用铂，这是一种在电化学领域广泛研究且性能可靠的材料。另一种则采用由磷酸钴、一种类似黏土的矿物 Laponite 以及 GelMA 组成的复合电极，该材料经过专门配方设计，可通过挤出式生物打印机进行 3D 打印成定制形状。
这种可打印特性未来有望使临床医生能够根据患者创面或植入部位的具体形状来定制电极几何结构。
这种源自胆碱的生物离子液体不仅提升了导电性。将其以 4% 的浓度加入后，凝胶的刚度相比纯 GelMA 提高了一倍以上，同时显著减缓了酶降解速度。在相同条件下，普通 GelMA 在三天内被一种分解胶原蛋白的酶降解超过 90%，而 BioGel 配方在一整周内仅损失约 25% 的质量。
分子模拟帮助解释了该生物离子液体为何还能改善氧气传输：胆碱分子降低了氧气在铂表面的吸附强度，从而将更多氧气释放到组织中。
SSOT 技术在糖尿病小鼠慢性伤口愈合中的作用。图片来源：Vaishali Krishnadoss 等，《Communications Materials》。
平台性能测试
在实验室细胞培养测试中，研究团队将三种不同的人类细胞类型嵌入 SSOT 构建体中，并将其置于严重缺氧环境下，这种环境大致相当于厚组织植入体内部的条件。
两周后，SSOT 组的细胞存活率根据细胞类型不同在 74% 至 79% 之间。而在没有氧气生成系统的情况下，存活率下降至 38% 至 46%。该平台还促进了一种名为 VEGF 的蛋白分泌，该蛋白用于向机体发出生成新血管的信号。
随后，研究人员将 SSOT 构建体植入大鼠皮下，以评估机体对该装置的反应。28 天后，免疫反应极小，巨噬细胞的浸润程度较低，而巨噬细胞通常是外来材料被排斥的重要信号。这一结果对于任何计划长期植入体内的装置而言都具有重要意义。
然而，最具说明性的测试来自动物伤口愈合实验。研究团队在经过基因工程改造的糖尿病小鼠上测试 SSOT 贴片，这些小鼠在受伤时会抑制两种关键抗氧化酶，使皮肤上天然存在的细菌能够形成持续感染，从而产生慢性难愈合伤口。
这些伤口在未处理情况下不会自行愈合，并且在观察期间持续恶化。而使用电池供电的 SSOT 贴片治疗的小鼠在 33 天内表现出显著的伤口闭合，组织分析显示形成了有序的胶原结构，并实现了正常皮肤层的再生，而非瘢痕组织。
该平台能否通过人体临床试验仍有待观察。该系统在仅 1 伏电压下运行，并在 30 天的开关循环中保持稳定的电化学性能，但未来仍需在更大型动物以及最终在人类中进行测试。作为概念验证，这项技术为困扰组织工程数十年的问题提供了一个在技术上可信的解决方案。
该研究题为《一种用于生物工程组织构建体局部且持续供氧的智能自供氧系统》，由 Vaishali Krishnadoss、Baishali Kanjilal、Aihik Banerjee、Prince David Okoro、Mohammad Khavani、Proma Basu、Nourouddin Sharifi、Johnson V. John、Manuela Martins-Green、Amos Mugweru、Mohammad R. K. Mofrad、Arameh Masoumi 以及 Iman Noshadi 完成。
