真菌性角膜炎是角膜溃疡的主要原因，也是导致眼睛相关疾病和失明的主要因素。这种疾病可能引发严重的感染，导致视力丧失。由于强烈的炎症反应、氧化应激和非定向修复过程，角膜白斑等疤痕很容易形成，从而降低了角膜的透明度，严重影响视力和生活质量。目前，治疗真菌性角膜炎的方法包括药物治疗和手术干预。常用的药物包括两性霉素B和氟康唑，但由于药物毒性而存在一定的局限性。手术干预通常涉及角膜移植，然而，这种手术复杂度高，术后并发症风险较大。因此，开发一种具有多功能性的水凝胶系统来治疗真菌性角膜炎、减少白斑并促进愈合显得尤为重要。然而，目前许多水凝胶系统存在一些不足之处，例如通常表现出单一的功能缺乏对角膜溃疡愈合过程的干预，无法充分解决抗真菌、抗炎、定向修复角膜基质层、抑制白斑形成等问题。另外，对角膜独特的胶原纤维定向排列的忽视也可能影响治疗效果。因此，开发一种新型的多功能水凝胶系统，能够整合抗真菌、抗炎和定向修复等特性，并考虑角膜胶原纤维的排列情况，将有望对真菌性角膜炎的治疗带来重要的突破。
相关成果近期发表在国际生物医学领域知名期刊Bioactive Materials，题为“定向纤维素水凝胶：用于减少角膜白斑和治疗真菌性角膜溃疡的定向组织再生研究”(Oriented Cellulose Hydrogel: Directed Tissue Regeneration for Reducing
Corneal Leukoplakia and Managing Fungal Corneal Ulcers)。本论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院孙伟教授，弥胜利教授，北京大学第三医院眼科冯云教授。论文第一作者为董丽娜博士和范梓欣博士。
该研究团队构建了一种新型3D打印多功能水凝胶系统，通过整合抗真菌、抗炎和定向修复特性来治疗真菌性角膜炎、减少白斑并促进愈合。此外，我们还深入研究了抑制白斑的生物学机制。基于挤出式生物3D打印机（SunP CPD1/ BioMaker，上普公司）制备了定向纤维素水凝胶系统，通过形成粘着斑与角膜基质细胞外基质相互作用，诱导角膜基质正交定向修复；并且深入研究了减小角膜白斑的机制，如模仿胶原纤维正交排列，抑制炎症、消除活性氧、减少角膜白斑等信号通路研究。
技术路线图
图一. 3D打印水凝胶系统合成示意图。
实验结果
水凝胶制备及其表征
该3D打印纤维素水凝胶合成示意图如图一所示，通过羟基酯化反应用甲基丙烯酸酯对羧甲基纤维素进行功能化，使得水凝胶材料具备紫外响应的原位凝胶化能力。鉴于单一网络水凝胶的固有稳定性不足，引入了通过氢键形成的透明质酸-单宁酸水凝胶网络。另外，为了赋予水凝胶抗氧化和抗真菌性能引入了铜基纳米酶。
图二. 不同配比水凝胶的相关表征及纳米酶的电镜图和元素分析结果。
真菌性角膜溃疡的体内治疗效果
为了研究3D打印水凝胶在真菌性角膜溃疡中的治疗效果，在大鼠模型中进行了连续7天的实验。在感染白色念珠菌后，角膜表现为溃疡、基质水肿、基质混浊和新生血管化。从治疗后的第1天到第7天，4个治疗组的情况逐步改善，溃疡愈合，混浊区域减少，新生血管回退，特别是在定向水凝胶治疗组中效果明显。
图三. 3D打印水凝胶系统在真菌性角膜溃疡大鼠模型中治疗示意图及不同处理下的眼表情况。
图四.水凝胶定向修复角膜基质及其抗氧化、抗真菌治疗的机制图。
该研究通过3D打印挤出过程制备纤维素水凝胶，实现微观和宏观尺度的定向纤维排列。展示了纳米酶-纤维素水凝胶系统的抗真菌功能，并为真菌性角膜炎的治疗提供了新的方法。并且研究了角膜白斑形成的机制及基质细胞的定向迁移，以减小角膜白斑。总之，该3D打印纤维素水凝胶系统模拟了胶原纤维的正交排列，抑制了炎症，消除了活性氧，减少角膜白斑，在真菌性角膜溃疡的治疗中具有重要意义，并有望在角膜组织工程领域开启新的篇章。
Dong, Lina, Zixin Fan, Bixing Fang, Xiaoyu Zhao, Hongyi Yao, Gangpei Cai, Shuo Yang, Guoming Zhang, Xiaoqi Cheng, Yun Feng*, Shengli Mi*, and Wei Sun*. Oriented Cellulose Hydrogel: Directed Tissue Regeneration for Reducing Corneal Leukoplakia and Managing Fungal Corneal Ulcers. Bioactive Materials. 2024, 41, 15-29.
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X24002688