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江西科技師范大學盧寶陽團隊《Chem. Eng. J.》：低成本水凝膠燒燙傷急救貼 - 實現(xiàn)快速降溫、有效抗炎
2022-11-30  來源：高分子科技

  燒燙傷急救貼可快速降低創(chuàng)面高溫、抵抗細菌侵害，有效緩解余熱損傷、水腫、劇痛等癥狀，降低燒燙傷患者感染率及死亡率。然而，現(xiàn)有燒燙傷急救產(chǎn)品存在降溫性能差、治療效果有限、創(chuàng)面保護能力弱、成本較高等缺陷，阻礙了其廣泛應用。因此，開發(fā)集免疫-溫度雙重調(diào)節(jié)和形狀適應性于一體的高性能、低成本急救貼是燒燙傷護理中亟需解決的問題之一。



  近日，江西科技師范大學盧寶陽教授團隊開發(fā)了一種低成本、快速降溫、有效抗炎的多層水凝膠燒燙傷急救貼，包括網(wǎng)狀拓撲結構的堅韌聚乙烯醇-殼聚糖（PVA-CS）水凝膠層、聚丙烯酰胺-殼聚糖（PAAm-CS）水凝膠層和聚乙烯（PE）封裝層。該水凝膠燒燙傷急救貼（FBP）具有獨特的力學、熱力學和生物學特性，包括柔軟（楊氏模量為83 kPa）、可拉伸（斷裂應變超過106%)、高熱導率（0.54 W m-1 K-1）、快速降溫（2分鐘內(nèi)恢復正常）、有效抗菌（金黃色葡萄球菌：96.2%、大腸桿菌：92.2%）和優(yōu)異的生物相容性（24 h內(nèi)，細胞存活率高于94.04%）。二級燙傷大鼠活體實驗進一步證明，使用該水凝膠燒燙傷急救貼后可有效緩解組織損傷并降低炎癥水平。這項研究工作利用超材料多層拓撲結構設計實現(xiàn)異質水凝膠材料各項性能融合，在燒燙傷黃金救助時間內(nèi)可迅速恢復體溫并高效抗菌、保護創(chuàng)面，有望減輕患者病痛、甚至在危急情況下挽救更多的生命。相關研究成果以“A Cost-effective, Fast Cooling, and Efficient Anti-inflammatory Multilayered Topological Hydrogel Patch for Burn Wound First Aid”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》期刊。 


水凝膠燒燙傷急救貼設計、制備：


  作者報道了一種利用低廉、商業(yè)化材料組裝多層拓撲結構的超材料設計策略以融合異質材料的各項性能，其中，聚丙烯酰胺-殼聚糖（PAAm-CS）水凝膠層作為柔軟皮膚的保護屏障，實現(xiàn)快速降溫、有效抗炎并緩解對受損皮膚組織的刺激；網(wǎng)狀拓撲結構的堅韌聚乙烯醇-殼聚糖（PVA-CS）水凝膠層提供力學支撐，同時通過擴大接觸面積加速水分蒸發(fā)，提高快速降溫性能（圖1）。作者首先通過同步聚合反應和化學交聯(lián)殼聚糖溶液中的丙烯酰胺單體，制備了自支撐PAAm-CS水凝膠。為了與PVA-CS堅韌水凝膠無縫集成，將自支撐PAAm-CS水凝膠覆蓋在填充了黏性PVA-CS溶膠的菱形網(wǎng)狀模具上，通過PVA、PAAm和CS鏈之間的氫鍵相互作用形成分子互穿網(wǎng)絡層；進而利用多次凍-融循環(huán)、物理交聯(lián)PVA和CS鏈，可制備出穩(wěn)定粘附的雙層PAAm-CS和PVA-CS水凝膠（圖1e）。FBP截面掃描電鏡圖（圖1f-h）證明了雙層水凝膠界面處致密的滲透互穿層（圖1h）。為了進一步提升抗菌性能，將雙層水凝膠凍干后，在FDA批準的醫(yī)用消毒劑——酸性氧化電解水（EO water）溶脹平衡，經(jīng)PE薄膜封裝后得到水凝膠燒燙傷急救貼產(chǎn)品（圖1e）。在燒燙傷急救應用中，PE封裝層可輕易剝離，水凝膠貼PAAm-CS底層可輕松貼附于燒燙傷創(chuàng)面上（圖1a）。 


圖1 水凝膠燒燙傷急救貼（FBP）的多層拓撲結構設計策略和制備


水凝膠燒燙傷急救貼力學、降溫、抗菌性能：


  該水凝膠燒燙傷急救貼力學性能良好，可持續(xù)承受各種機械變形，如扭轉、滾動、折疊等；斷裂伸長率為106%，介于PAAm-CS水凝膠（43%）和網(wǎng)狀拓撲PVA-CS水凝膠（158%）之間（圖2a,b），能夠滿足人體運動的應變范圍（0~80%）。其楊氏模量為83 kPa，而與創(chuàng)面直接接觸的PAAm-CS水凝膠楊氏模量更低（41 kPa，圖2c），與人體皮膚及皮下組織（5~2600 kPa）具有良好的機械適配性。兩層PAAm-CS和PVA-CS水凝膠之間的界面強度為88 N m-1（圖2d），表明雙層水凝膠間的界面結合不會因機械變形引起分離。在50%應變下，循環(huán)拉伸證明了FBP具有良好的力學穩(wěn)定性（圖2e），且100次循環(huán)后FBP最大應力仍保留87%（圖2f）。總體上，FBP具有與皮膚組織相匹配的力學性能，可實現(xiàn)與皮膚溫和接觸、完美貼合，同時還可作為抵御外部損傷的物理屏障，有望使燒燙傷患者更加輕松和舒適。 


圖2 水凝膠燒燙傷急救貼（FBP）的柔軟、可拉伸、界面穩(wěn)定的機械性能


  作者進而對FBP的降溫能力進行了系統(tǒng)測試、評估，研究發(fā)現(xiàn)，FBP可熱致軟化（儲能模量降低），熱導率高（0.54 W m-1 K-1）、含水量高（90.9%）、吸熱量（134.78 mW）適宜，且透氣性良好（1918.77 g m-2 d-1）（圖3）。燙傷兔皮模擬實驗測試結果表明，FBP在120 s內(nèi)展現(xiàn)出更好的降溫效果，明顯優(yōu)于空白組（圖3e,f）。 


圖3 水凝膠燒燙傷急救貼（FBP）優(yōu)異的體外降溫能力


  抗菌性能方面，水凝膠燒燙傷急救貼（FBP）中CS可與細菌壁產(chǎn)生靜電相互作用滅菌，且EO消毒水中氯和臭氧可協(xié)同殺菌，致使其展現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性（金黃色葡萄球菌：96.2%、大腸桿菌：92.2%），應用于燒燙傷可有效避免創(chuàng)面感染、縮短炎癥持續(xù)時間（圖4a-c）。同時，FBP具有良好的細胞相容性，24 h內(nèi)HFF-1細胞存活率高于94.04%。 


圖4 水凝膠燒燙傷急救貼（FBP）的高抗菌活性和良好細胞相容性


二級燙傷動物模型：


  作者建立了二級燙傷大鼠模型，用來評價FBP的降溫、抗炎、組織損傷等急救治療效果（圖5）。研究發(fā)現(xiàn)，使用FBP急救后，大鼠燙傷創(chuàng)面溫度可在2分鐘內(nèi)由>50 °C快速下降至正常體溫（圖5a）。與對照組相比，FBP急救后的大鼠表現(xiàn)出更低的炎癥水平、更多的組織保留現(xiàn)象和較快的愈合狀況。組織學和免疫組織化學結果顯示，經(jīng)FBP急救后大鼠燙傷組織H&E染色中水腫和炎性浸潤現(xiàn)象消失、CD68/TNF-α/IL-6表達水平降低、CD31表達升高、膠原容積分數(shù)（CVF）呈上升趨勢，表明其炎癥水平降低、血管再生和膠原蛋白沉積。此外，組織中活性氧（ROS）降低現(xiàn)象也證明了FBP可通過快速降溫、有效抗菌來緩解熱刺激和細菌感染以減少本體氧化應激的產(chǎn)生。綜上所述，FBP的快速降溫、有效抗炎和組織保護能力等性能優(yōu)勢，可在燒燙傷救助黃金2分鐘時間內(nèi)發(fā)揮至關重要的作用。 


圖5 水凝膠燒燙傷急救貼（FBP）通過二級燙傷大鼠模型證明了快速降溫、有效抗炎的活體應用


  該研究工作由江西科技師范大學柔性電子創(chuàng)新研究院完成。藥學專業(yè)碩士生鄭溫倩、王莉娜以及藥學院本科生焦赫為論文共同第一作者，盧寶陽教授為通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140553

  50天免費鏈接（至2023.1.15）：https://authors.elsevier.com/a/1g9C04x7R2ci0o

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（責任編輯：xu）
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