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國科溫州研究院楊晨、東華大學(xué)倪似愚《ACS AMI》：溫和光熱輔助含低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠促進(jìn)治療感染性創(chuàng)面愈合
2023-02-03  來源：高分子科技

  皮膚產(chǎn)生創(chuàng)面后極易受到外部細(xì)菌的感染，從而進(jìn)一步損傷皮膚甚至內(nèi)部器官。抗菌敷料是一種非常有前景的治療策略。然而，目前臨床上可使用的抗菌敷料種類有限且存在明顯的局限性，比如最常見的銀離子敷料具有細(xì)胞/組織毒性的風(fēng)險。此外，現(xiàn)有的抗菌敷料通常是“生物惰性”的，缺乏主動促進(jìn)傷口愈合、減少愈合周期的特性。因此，迫切需要開發(fā)一種兼具高效抗菌與高生物活性的傷口敷料，以針對性地治療感染性創(chuàng)面。


  納米硒被廣泛報道具備抗菌、抗氧化、抗炎、促進(jìn)組織再生等特性，是非常有潛力的創(chuàng)面修復(fù)材料，然而納米硒發(fā)揮這些功效的最佳濃度并不一致：高劑量納米硒具備優(yōu)異的抗菌性能，但是會產(chǎn)生細(xì)胞毒性，而低劑量納米硒具備諸多生物活性，但抗菌性能一般。


  近日，中國科學(xué)院大學(xué)溫州研究院楊晨副研究員聯(lián)合東華大學(xué)倪似愚副教授團(tuán)隊設(shè)計制備了一種含低劑量納米硒的光熱型復(fù)合水凝膠（圖1）。該復(fù)合水凝膠由聚多巴胺修飾的海藻酸水凝膠和低劑量納米硒組成，聚多巴胺賦予了復(fù)合水凝膠良好的近紅外光熱性能，而低劑量納米硒增強了材料的多方面生物活性，包括抗氧化、抗炎、促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移、成血管等。更有意思的是，近紅外照射引起的溫和熱環(huán)境（45 ℃）與低劑量納米硒一起產(chǎn)生獨特的協(xié)同抗菌效應(yīng)，能夠高效清除金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）。動物實驗進(jìn)一步證明了溫和光熱輔助含低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠能夠有效清除傷口表面的細(xì)菌、加速新生血管的形成、促進(jìn)膠原生成和傷口愈合。 


圖1. 設(shè)計了一種光熱性能良好的聚多巴胺/海藻酸鈉/納米硒復(fù)合水凝膠。該水凝膠在近紅外光照下能有效殺死細(xì)菌、抑制炎癥并誘導(dǎo)血管新生，從而顯著促進(jìn)感染性創(chuàng)面的愈合。

  該工作以“Mild Heat-Assisted Polydopamine/Alginate Hydrogel Containing Low-Dose Nanoselenium for Facilitating Infected Wound Healing”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上（DOI: 10.1021/acsami.2c21516）。文章共同第一作者是徐金鳳、MR. Younis和張趙文斌。該研究得到國家自然科學(xué)基金委（No. 32271386）、溫州市科技重大項目（ZY2022028）、溫州市科技項目（Y20220142）、上海市自然科學(xué)基金項目（19ZR1401000），浙江省組織修復(fù)材料工程研究中心項目（WIUCAZZXF21001）與國科溫研究院啟動專項（WIUCASQD2020013, WIUCASQD2021030）的支持。


【文章要點】


一、低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠的制備及性能表征


  本研究采用物理包裹的方式，成功將納米硒負(fù)載在聚多巴胺修飾的海藻酸鈉復(fù)合水凝膠中。從掃描電鏡圖像上可以清楚地觀察到，納米硒顆粒均勻地分散在水凝膠的網(wǎng)絡(luò)縫隙中，并且隨著顆粒濃度的提升，納米硒顆粒逐漸將水凝的網(wǎng)絡(luò)縫隙填滿。由于聚多巴胺的存在，復(fù)合水凝膠具有優(yōu)異的光熱性能，而納米硒的引入對其光熱性能無顯著影響。此外，在納米硒與聚多巴胺的協(xié)同作用下，復(fù)合水凝膠具有優(yōu)異的抗氧化性，可顯著清除ABTS和DPPH自由基。 


圖2 低劑量納米硒復(fù)合水凝膠具有優(yōu)異的光熱性能與抗氧化性能。


二、低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠激活皮膚相關(guān)細(xì)胞（內(nèi)皮細(xì)胞與成纖維細(xì)胞）的活性


  低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠能夠顯著促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和小鼠上皮樣成纖維細(xì)胞（L929）的增殖與遷移活性，并且上調(diào)HUVECs中血管生成相關(guān)基因（包括內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、缺氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）和成纖維細(xì)胞生長因子（FGF2））的表達(dá)，證明其在體外具有優(yōu)異的生物活性。 


圖3 低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移與成血管基因表達(dá)


三、溫和光熱輔助低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠體外抗菌


  為了研究溫和熱效應(yīng)與低劑量納米硒協(xié)同抗菌的作用功效，采用808 nm近紅外光照射復(fù)合水凝膠，以構(gòu)建45 ℃的溫和熱環(huán)境。在溫和光熱的輔助下，復(fù)合水凝膠對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）的抑制率分別達(dá)了99.72%和99.80%。從掃描電鏡圖像上可以清晰地觀察到在45℃溫和光熱與低劑量納米硒協(xié)同作用下，細(xì)菌細(xì)胞膜被破壞，內(nèi)容物流出，證明含低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠具有優(yōu)異的體外抗菌效果。 


圖4 溫和光熱輔助低劑量納米硒復(fù)合水凝膠高效抗菌


四、溫和光熱輔助低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠對感染性創(chuàng)面的治療功效


  為了探究溫和光熱輔助低劑量納米硒復(fù)合水凝膠對感染性創(chuàng)面的治療功效，將其覆蓋在金黃色葡萄球菌感染的小鼠皮膚創(chuàng)面上，并通過近紅外光照射15分鐘來構(gòu)建45℃的溫和熱環(huán)境。可以發(fā)現(xiàn)，45℃溫和熱與低劑量的納米硒的協(xié)同作用在體內(nèi)也展現(xiàn)出優(yōu)異地抗菌性能，24小時內(nèi)可將感染創(chuàng)面表面的細(xì)菌存活率降低到17.04%。此外，低劑量納米硒復(fù)合水凝膠還能夠顯著促進(jìn)感染性創(chuàng)面早期的愈合。處理3天后，創(chuàng)面的愈合率就高達(dá)52.81%。而在9天后，經(jīng)過低劑量納米硒復(fù)合水凝膠處理的創(chuàng)面已經(jīng)幾乎完全愈合。 


圖5 溫和光熱輔助低劑量納米硒的復(fù)合水凝膠顯著促進(jìn)感染性創(chuàng)面的愈合


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c21516

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