学术分享 I DIW 墨水直写 3D 打印 PVA / 琼脂 / 姜黄复合支架：可控释药抗菌促伤口愈合

发布时间：2026-09-03 浏览量：分享到：

DIW打印姜黄复合水凝胶伤口支架论文解读

一、研究背景

皮肤是人体最大的器官，兼具屏障、保护与感知功能，烧伤、创伤、溃疡等造成的皮肤损伤易引发感染、愈合延迟，是全球主要的健康负担之一。传统纱布、棉垫等敷料生物活性不足，更换时易造成二次损伤，难以满足现代伤口管理的需求。

水凝胶因高含水、生物相容、模拟细胞外基质等特性，已成为伤口敷料的主流方向。但传统浇铸水凝胶存在孔隙结构不均、力学强度不足、结构可控性差等问题，难以匹配深部伤口的组织再生需求。

直接墨水书写（DIW）3D打印可精准构建层级多孔支架，实现结构与性能的定制化调控，是新一代组织工程支架的核心制备技术。聚乙烯醇（PVA）与琼脂（AA）均为生物相容性良好的医用高分子，二者复合可兼顾力学强度与凝胶特性。

姜黄提取物中的核心活性成分6-姜黄醇，具有广谱抗菌、抗氧化、抗炎与促组织再生等多重生物活性，是天然来源的伤口治疗功能因子。将其整合入3D打印水凝胶支架，可实现结构支撑与药物治疗的协同作用。

本研究通过DIW墨水直写技术制备PVA/琼脂/姜黄提取物复合多孔支架，系统优化墨水配方与打印工艺，通过Ca²⁺离子交联构建稳定网络，从流变、形貌、力学、溶胀、降解、药物释放、抗菌、细胞相容性及分子对接等多维度开展体外评价，验证其在软组织工程与伤口修复中的应用潜力。

二、研究内容

2.1 墨水配方与制备

（1）原材料

聚乙烯醇（PVA）、琼脂（Agar-agar, AA）、磷酸缓冲盐溶液（PBS）：Sigma-Aldrich；
姜黄粉：巴基斯坦伊斯兰堡国家食品公司；
细胞培养相关试剂：DMEM培养基、胎牛血清、WST-8试剂盒等。

（2）墨水制备步骤

分别配制15% w/v PVA水溶液与10% w/v琼脂水溶液，80℃、350 rpm磁力搅拌至完全溶解；
姜黄提取物制备：2 g姜黄粉溶于20 mL乙醇，300 rpm搅拌30 min，滤纸过滤得到提取液；
按不同比例混合PVA与琼脂溶液，加入姜黄提取物至终浓度50 mg/mL；
通过实验设计（DoE）方法筛选最优配比，以打印性为评价指标。

（3）配方优化与最优配比

设置不同PVA与AA比例进行打印性测试，评级标准：7=打印不规则，B=可打印但层间融合，3=最优打印。最终选定PVA:AA = 30:70为最优配比，该比例下墨水粘度适宜、层间保真度高、结构稳定。

序号	PVA浓度 (W/V%)	AA浓度 (W/V%)	PVA:AA比例	打印性评价
1	5	3	50:50	7
			40:60	7
			30:70	7
2	10	7	50:50	7
			40:60	7
			30:70	B
3	15	10	50:50	7
			40:60	7
			30:70	3（最优）

表1 基于DoE方法的PVA/AA/姜黄墨水配方优化与打印性评价

2.2 DIW 3D打印与后处理工艺

（1）打印设备与参数

采用定制化DIW生物打印机进行制备，核心打印参数如下：

序号	打印参数	数值
1	填充密度	15%
2	填充角度	45°
3	基底与喷嘴温度	25℃
4	填充模式	直线填充
5	挤出流量	16 mm³/s
6	喷嘴内径	540 μm
7	打印层数	9层
8	打印速度	3 mm/s
9	层厚	0.33 mm

表2 PVA/AA/姜黄支架的DIW打印参数

（2）后处理工艺

离子交联：打印完成后将支架浸入CaCl₂溶液中30 min，Ca²⁺作为配位中心桥接PVA与AA链上的羟基，形成离子交联网络；
冷冻干燥：交联后样品经冷冻干燥，形成稳定的多孔结构。

2.3 流变学性能

采用Brookfield DV-III流变仪与三区间触变测试评价墨水流变行为：

纯PVA与PVA/AA/姜黄墨水均表现出典型剪切变稀特性，流动指数分别为0.63与0.52，符合挤出打印要求；
加入AA与姜黄后，墨水粘度与剪切应力显著提升，源于分子间氢键与网络形成；
三区间触变测试显示，复合墨水粘度恢复率达96%，剪切去除后快速恢复结构，保证沉积后形状保真。

图3 墨水流变学表征。(A) PVA流动曲线；(B) PVA三区间触变行为；(C) PVA/AA/姜黄混合物流变曲线；(D) PVA/AA/姜黄混合物三区间触变行为。

2.4 打印性与形貌表征

（1）打印成型性

50:50比例因粘度低导致层间融合、结构不规则；40:60比例有所改善但仍有融合；30:70比例下打印层均匀清晰、层间保真度高，具备良好的网格结构。

图4 不同PVA:AA比例墨水的打印成型效果。(A) 50:50；(B) 40:60；(C) 30:70。

（2）微观形貌

光学显微镜与SEM显示，支架具有均匀的层状结构与内部连通微孔，孔径分布在100~180 μm之间；
支架表面粗糙，比表面积大，利于蛋白质吸附与细胞粘附；
冷冻干燥与交联共同作用构建了相互连通的多孔网络，为营养输送与细胞长入提供空间。

图5 (A) PVA/AA/姜黄支架的Ca²⁺交联机制；(B) 交联后支架的可弯曲性能展示。

图6 支架显微形貌图像。(A) 3D打印支架的层保真度；(B) 支架内部多孔结构；(C) ImageJ统计的孔径分布；(D) 成纤维细胞在内部多孔结构中的粘附机制示意图；(E–J) 支架不同放大倍数的SEM图像。

2.5 化学结构表征（FTIR）

ATR-FTIR结果证实：

3200~3500 cm⁻¹处羟基伸缩峰宽化，表明PVA、AA与姜黄之间形成分子间氢键；
1600 cm⁻¹附近羧基峰变化，证明Ca²⁺与聚合物链发生离子配位相互作用，交联成功；
1000~1100 cm⁻¹处C-O/C-OH峰重叠与强度变化，证实姜黄提取物成功掺入基质。

图7 PVA、琼脂、姜黄原料及交联后PVA/AA/姜黄支架的傅里叶变换红外光谱。

波数 (cm⁻¹)	官能团振动	来源组分	结构解释
~3200–3500	–OH 伸缩振动	PVA、AA	氢键作用，峰宽化表明分子间相互作用
~2900	–CH 伸缩振动	PVA、AA	聚合物主链骨架
~1600–1650	C=O/结合水	AA	位移表明与Ca²⁺离子相互作用
~1400–1450	–CH弯曲/COO⁻对称	AA	参与Ca²⁺配位交联
~1000–1100	C–O–C/C–OH	PVA、AA、姜黄	峰重叠，强度增加证明复合形成

表3 原料与支架中官能团的FTIR波数归属

2.6 力学性能

依据ASTM D882标准进行微拉伸测试：

支架极限抗拉强度为0.74 MPa，对应断裂应变33%；最终断裂应变达42%，断裂强度0.54 MPa；
呈现典型水凝胶力学行为：线弹性区后平滑过渡到非线性应力增长，断裂平缓无脆性失效；
适度的强度与高延展性适配皮肤动态运动，可贴合不规则创面，避免刺激与敷料移位。

2.7 溶胀性能

蒸馏水中12 h溶胀比约36 g/g，溶胀率达~3600%，具备超高亲水性；
初始2 h快速溶胀，随后持续平稳上升，源于多孔结构的毛细吸水与羟基水合作用；
高溶胀性可吸收伤口渗出液，维持湿润愈合环境，促进细胞迁移与增殖。

图8 (A) PVA/AA/姜黄支架的微拉伸应力-应变曲线；(B) 支架在水中12 h的溶胀比曲线。

2.8 降解行为

37℃ PBS中进行14天降解实验：

前2天快速降解，质量损失约37%，对应表面弱结合层的溶蚀与药物突释；
2~14天缓慢持续降解，14天累计质量损失约76%，呈现可控降解特性；
动力学拟合：幂律模型拟合度最优（R²=0.995），降解行为由扩散与骨架溶蚀共同控制。

2.9 姜黄醇释放动力学

载药效率：93.6% ± 2.4%，打印、交联与冻干过程中药物损失小；
释放行为：前2天突释约50%，提供即时抗菌作用；随后持续缓释，14天累计释放约79%；
释放机制：Peppas-Sahlin模型拟合最优（R²=0.993），为扩散与骨架溶蚀协同作用。

图9 支架14天降解与姜黄醇释放行为。(A) 质量损失曲线与不同动力学模型拟合；(B) 模型拟合残差；(C) 姜黄醇累计释放曲线与模型拟合；(D) 释放模型拟合残差。

2.10 抗菌性能

采用比浊法与琼脂扩散法评价对金黄色葡萄球菌（S. aureus）与大肠杆菌（E. coli）的抗菌活性：

比浊法显示支架可显著抑制两种细菌的生长；
抑菌圈实验：对S. aureus抑菌圈直径17 mm，对E. coli为9 mm，革兰氏阳性菌效果更优；
抗菌机制：6-姜黄醇破坏细菌细胞膜完整性，增加通透性，导致胞内物质泄漏；同时抑制生物膜形成、干扰群体感应。

图10 PVA/AA/姜黄支架的抗菌效能。(A) 对E. coli的浊度法结果；(B) 对S. aureus的浊度法结果；(C) 对S. aureus的抑菌圈实验；(D) 对E. coli的抑菌圈实验；(E) 姜黄醇抗菌作用机制示意图。

2.11 细胞相容性与VEGF分泌

采用人真皮成纤维细胞（HDFa）与WST-8法评价细胞相容性：

第1、3、5、7天细胞存活率分别为91.6%、93.2%、97.3%、99.7%，显示优异的生物相容性；
支架多孔结构与高亲水性为细胞粘附、增殖提供良好微环境；
VEGF释放水平：支架组略低于纯PVA/AA组但高于空白组，与姜黄醇的适度抗炎作用相关，仍具备促血管生成潜力。

图11 支架的生物学评价。(A) 人真皮成纤维细胞活力；(B) VEGF释放水平。

2.12 分子对接模拟

通过AutoDock Vina进行分子对接，验证6-姜黄醇对伤口愈合相关靶点的结合能力：

对四个关键靶点均呈现自发结合（结合能为负）；
结合强度排序：COX-2（抗炎）> 整合素αvβ3（细胞粘附）> VEGFR2（血管生成）> DNA旋转酶B（抗菌）；
从分子层面解释了支架抗炎、促粘附、促血管生成、抗菌的多重生物活性机制。

图12 6-姜黄醇与靶蛋白的分子对接模拟。(A) 整合素αvβ3；(B) DNA旋转酶B；(C) VEGFR2；(D) COX-2。

靶点编号	生物过程	靶蛋白	PDB编号	结合能 (kcal/mol)
A	细胞粘附	整合素αvβ3	1L5G	−5.464
B	抗菌	DNA旋转酶B	6RQU	−4.316
C	血管生成	VEGFR2	4ASE	−4.599
D	抗炎	COX-2	5KIR	−6.036

表4 6-姜黄醇与各靶蛋白的分子对接结合能

三、研究结论

1. 可打印性与结构可控：成功开发适用于DIW打印的PVA/琼脂/姜黄复合墨水，最优配比30:70下打印精度高、层间结构清晰；Ca²⁺离子交联构建稳定网络，支架具备连通微孔结构。

2. 理化性能适配伤口需求：支架超高溶胀率（~3600%）可吸收渗出液，可控降解（14天~76%）匹配愈合周期，适度力学强度与高延展性可贴合动态皮肤创面。

3. 药物释放与抗菌协同：姜黄醇载药效率93.6%，呈现“突释+缓释”双相释放，对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌均有明确抗菌效果，可降低伤口感染风险。

4. 生物相容性优异：人真皮成纤维细胞7天存活率接近100%，可促进细胞粘附增殖，并具备一定促血管生成与抗炎潜力。

5. 分子机制验证：分子对接证实6-姜黄醇可作用于抗炎、粘附、血管生成、抗菌多靶点，为支架的多重生物活性提供理论支撑。

6. 应用前景：该DIW 3D打印复合支架集结构支撑、保湿、抗菌、促愈合一，是极具潜力的新型伤口修复生物材料，后续可开展体内实验与临床验证。

四、论文基本信息

英文标题：Synergistic effect of ginger extract in crosslinked polyvinyl alcohol and agar-agar: fabrication and in vitro study of 3D-printed scaffolds

作者：Rahila Batul, Rimsha Areej, Muhammad Sameet Ismat, Syed Muneeb Haider Gillani, Abdul Khaliq, Weaam Mohamed Khoj Ali, Hanan Abdelmawgoud Atia, Noreen Akhtare, Muhammad Atiq Ur Rehman*

单位：沙特阿拉伯哈伊勒大学药学院；巴基斯坦古拉姆伊沙克汗材料科学与工程系；巴基斯坦空间技术研究所材料科学与工程系；沙特阿拉伯哈伊勒大学工程学院；沙特阿拉伯哈伊勒大学公共卫生学院

发表期刊：RSC Advances 2026

DOI：10.1039/d6ra06095a

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