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南工陳蘇教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Sci.》：微流控技術(shù)構(gòu)筑凝膠基人造皮膚

2022-05-25 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：微流控微凝膠組裝體人造皮膚靈巧愈合材料 pH調(diào)節(jié)

皮膚作為人體最大的組織器官，在維持體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定及抗外界細(xì)菌感染方面起著至關(guān)重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國每年約有數(shù)百萬的人遭受著不同程度的燒傷，導(dǎo)致每年皮膚創(chuàng)傷修復(fù)再生花費(fèi)高達(dá)1萬億元以上的巨額治療費(fèi)用。另一方面，皮膚損傷修復(fù)是人體最復(fù)雜的生理過程之一，這種愈合過程包括四個(gè)階段，即止血、炎癥、增生和重塑。四個(gè)階段的持續(xù)完成是皮膚有效愈合和恢復(fù)創(chuàng)面微環(huán)境平衡的必要條件。皮膚在愈合過程中的細(xì)胞代謝和細(xì)胞增殖受傷口微環(huán)境（如物理、化學(xué)和生物因素）如溫度、傷口部位的pH值、氧氣水平，或葡萄糖水平的影響。作為傷口微環(huán)境的基本參數(shù)之一，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的pH強(qiáng)烈影響著細(xì)胞過程(酶活性、大分子合成、代謝物運(yùn)輸)和細(xì)胞周期過程(炎癥、膠原形成和血管生成)的四個(gè)階段。因此，在四個(gè)階段適當(dāng)調(diào)節(jié)傷口的pH值可以加速皮膚傷口愈合，例如，在初始階段（止血和炎癥）建立酸性環(huán)境以抑制細(xì)菌感染并促進(jìn)血管再生，然后在其后（增生和重塑）建立堿性環(huán)境以促進(jìn)細(xì)胞增殖并促進(jìn)皮膚重塑。然而，四個(gè)階段的持續(xù)傷口pH 值靈巧調(diào)節(jié)是人造皮膚領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)課題之一，目前尚未文獻(xiàn)報(bào)道。

針對上述科學(xué)問題，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授、王彩鳳教授與東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院王革非主任合作，創(chuàng)新性地采用微流控技術(shù)開發(fā)出一種能夠在四個(gè)愈合階段連續(xù)智能調(diào)節(jié)傷口pH值的微凝膠組裝體人造皮膚，這可以極大地促進(jìn)慢性皮膚創(chuàng)傷的愈合和組織功能的恢復(fù)。在微凝膠組裝體中，凝膠1和凝膠2分別富含有-COOH和-NH₂，可以分別對堿性環(huán)境和酸性環(huán)境作出響應(yīng)，因此可以在創(chuàng)面潤濕的微環(huán)境中釋放或吸附H⁺，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)面pH值的動(dòng)態(tài)酸堿調(diào)節(jié)。其次，凝膠1和凝膠2可以通過微流控組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種宏觀結(jié)構(gòu)（例如線性、平面和三維凝膠組裝體）的凝膠組裝體，以滿足特定的傷口表面形態(tài)。在使用凝膠組裝體治療創(chuàng)面時(shí)，凝膠1在初始階段（即止血和炎癥階段）會(huì)釋放比凝膠2更多的H⁺，從而降低傷口表面的pH值。凝膠2的溶脹會(huì)暴露越來越多的-NH₂以吸收H⁺，導(dǎo)致后期增生和重塑階段的pH值升高呈堿性。更重要的是，微凝膠組裝體人造皮膚被成功應(yīng)用于大鼠背部皮膚缺損處活體實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果顯示微凝膠組裝體人造皮膚可以通過調(diào)節(jié)傷口的pH值，有效促進(jìn)新血管的形成、成纖維細(xì)胞的增殖和遷移以及巨噬細(xì)胞的極化，最終加速傷口愈合。研究表明所設(shè)計(jì)的微凝膠組裝體人造皮膚在皮膚醫(yī)療修復(fù)方面具有很大的優(yōu)勢和臨床意義，這可能為傷口治療提供實(shí)用的策略，并指導(dǎo)下一代皮膚傷口靈巧愈合材料的開發(fā)。該研究成果于近日發(fā)表在國際重要刊物《Advanced Science》上。(Micro-Gel Ensembles for Accelerated Healing of Chronic Wound via pH Regulation. Advanced Science. 2022, DOI:10.1002/advs.202201254)。南京工業(yè)大學(xué)博士后崔婷婷和東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院余加飛為共同第一作者，微流控3D打印機(jī)由南京捷納思新材料有限公司提供。

圖1.微凝膠組裝體的形成與應(yīng)用。a) 通過聚 (HPA-co-AA)-Mg²⁺ 凝膠（凝膠 1）和 CMCS 凝膠（凝膠 2）之間的氫鍵作用合成微凝膠組裝體的示意圖。b)使用特定的微流控芯片和通道，將凝膠1和2組裝成具有各種宏觀結(jié)構(gòu)的微凝膠集合。c) 用于皮膚傷口治療的微凝膠組裝體的 pH 調(diào)節(jié)機(jī)制，和 d) 相應(yīng)的皮膚愈合機(jī)制。