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浙工大楊晉濤/鄭司雨、浙二孫偉蓮 Biomacromolecules：用于口腔組織再生、具有快速凝膠化和自增強(qiáng)特性的可注射水凝膠
2023-06-29  來(lái)源：高分子科技

  口腔作為生物體進(jìn)食和發(fā)音的關(guān)鍵器官，因其潮濕的特性容易滋生細(xì)菌，同時(shí)口腔也容易因化學(xué)或物理創(chuàng)傷而引發(fā)諸如發(fā)音、咀嚼困難等生理障礙。因此，口腔組織的修復(fù)十分重要，但是考慮到口腔是一種頻繁運(yùn)動(dòng)的潮濕組織，在設(shè)計(jì)組織修復(fù)材料時(shí)應(yīng)綜合考慮力學(xué)韌性、組織黏附等一系列因素。水凝膠作為一種軟濕材料，因其類組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)良生物相容性被廣泛用于組織修復(fù)支架。但直接將硬凝膠植入到傷口會(huì)給患者帶來(lái)不適的體感，而凝膠太軟則不足以支撐缺損空腔，如何解決上述矛盾問(wèn)題十分關(guān)鍵。


  浙江工業(yè)大學(xué)的楊晉濤/鄭司雨課題組近年來(lái)在兩性離子聚合物功能材料的設(shè)計(jì)和相關(guān)結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究方面取得一系列進(jìn)展：通過(guò)苯乙烯可聚合基團(tuán)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)聚兩性離子聚合物在鹽介質(zhì)中的強(qiáng)反聚電解質(zhì)效應(yīng)，并基于此構(gòu)筑了一系列多功能抗菌表面（Adv. Funct. Mater. 2020, 2004633; J Mater. Chem. B 2022, 3039）和高強(qiáng)度離子凝膠（Adv. Funct. Mater. 2023, 2303272; Adv. Funct. Mater. 2022, 2205597; Chem. Mater. 2021, 8418; Chem. Eng. J 2022, 135607）。此外，在組織修復(fù)材料方面基于在紗布表面構(gòu)建離子型聚合物抗菌刷及兩性離子分子-陽(yáng)離子肽水凝膠制備了多種傷口敷料促進(jìn)組織愈合（Acta Biomater. 2022, 124; Int. J. Biol. Macromol. 2021, 190, 754-762; Composites Part B 2022, 110119）.


  在本文中，作者基于天然多糖，結(jié)合-NH2和-CHO之間快速反應(yīng)的希夫堿反應(yīng)、和-NH2和環(huán)氧基團(tuán)之間緩慢的反應(yīng)，開(kāi)發(fā)了一種可生物降解的、能迅速凝膠化填補(bǔ)空腔并緩慢自增強(qiáng)支撐組織修復(fù)的可注射水凝膠（OCM）（圖1）。其中快速的希夫堿反應(yīng)通過(guò)殼聚糖（CS）上-NH2和醛基化透明質(zhì)酸鈉（OSH）上的-CHO反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，而緩慢自增強(qiáng)通過(guò)殼聚糖上-NH2和和環(huán)氧修飾羥基磷灰石（mHAP）之間的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。除了上述編程的時(shí)間演化力學(xué)行為之外，該水凝膠同時(shí)還具有多種功能，包括通過(guò)與1）組織表面氨基作用實(shí)現(xiàn)的生物粘附，2）通過(guò)動(dòng)態(tài)希夫堿網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的自愈合，3）基于殼聚糖實(shí)現(xiàn)的殺菌功能，4）基于快速凝膠化和促進(jìn)血小板聚集實(shí)現(xiàn)的止血功能以及5）基于羥基磷灰石特性實(shí)現(xiàn)的x射線原位成像功能。 


圖1 可注射OCM水凝膠的力學(xué)動(dòng)力學(xué)和功能設(shè)計(jì)


  該可注射體系能在3 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)凝膠化。同時(shí)作者通過(guò)組分兩兩混合研究了凝膠化及強(qiáng)化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)僅OSH-CS組和CS-mHAP具有成膠能力，且OSH-CS能在3 s內(nèi)成膠而CS-mHAP需要60 h成膠，說(shuō)明希夫堿反應(yīng)迅速而-NH2和環(huán)氧的反應(yīng)則相對(duì)較為緩慢。 


圖2 OCM水凝膠成膠過(guò)程分析


  通過(guò)對(duì)比殼聚糖-醛修飾透明質(zhì)酸鈉凝膠（OC）、殼聚糖-醛修飾透明質(zhì)酸鈉-羥基磷灰石凝膠（OCH）和殼聚糖-醛修飾的透明質(zhì)酸鈉-環(huán)氧修飾的羥基磷灰石凝膠（OCM）注射成膠后不同時(shí)間段的斷面形貌和力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，CS中的氨基與mHAP中的環(huán)氧之間的反應(yīng)確實(shí)對(duì)體系起到了緩慢逐步的增強(qiáng)效果。同時(shí)體系中的氨基與羥基與組織基底產(chǎn)生物理相互作用，具有一定組織粘附能力，使該凝膠應(yīng)用在組織中成為可能；同時(shí)動(dòng)態(tài)席夫堿網(wǎng)絡(luò)賦予了凝膠自愈合的能力。 


圖3 OCM水凝膠的力學(xué)性能特征


  OCM水凝膠的降解來(lái)源于多糖骨架的水解和席夫堿網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特征。隨著透明質(zhì)酸鈉的醛基化程度增加，動(dòng)態(tài)席夫堿網(wǎng)絡(luò)的比例上升，凝膠降解率提高。OCM水凝膠在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）和胰蛋白酶溶液(Trypsin)中的有較好的降解性能。同時(shí)由于使用的原料大部分為天然多糖，凝膠擁有良好的生物相容性和血液相容性。 


圖4 OCM水凝膠的可降解性與生物相容性


  OCM水凝膠還具備一定的抗菌和止血性能。殼聚糖上的陽(yáng)離子基團(tuán)可以通過(guò)靜電相互作用破壞帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞壁，達(dá)到殺菌目的；同時(shí)殼聚糖上的陽(yáng)離子基團(tuán)與紅細(xì)胞膜產(chǎn)生相互作用，促進(jìn)血小板聚集，達(dá)到促進(jìn)止血的效果。注射OCM凝膠后小鼠傷口180 s內(nèi)出血量為39.7 mg，遠(yuǎn)低于對(duì)照組204.7 mg，體現(xiàn)凝膠良好的止血效果。 


圖5 OCM水凝膠的抗菌與止血性能


  OCM水凝膠中的mHAP組分具有阻斷輻射的性能，使其在x射線下能顯示出影像。結(jié)果表明，正常骨組織的阻斷率設(shè)為100%時(shí)，OCM凝膠的阻斷率為96.8%，與正常骨組織高度接近；同時(shí)隨著OCM凝膠隨著體內(nèi)降解，其顯現(xiàn)影像的面積也逐步變小，表明能通過(guò)顯影成像有效追蹤植入凝膠的體積變化。 


圖6 OCM水凝膠的顯影功能


  羥基磷灰石與天然骨基質(zhì)類似，其參與成骨細(xì)胞代謝、引導(dǎo)骨細(xì)胞生物礦化，促進(jìn)新骨形成。作者為驗(yàn)證OCM水凝膠對(duì)上頜下缺損軟骨修復(fù)的影響。將凝膠注射到缺損處并縫合，4周后進(jìn)行觀察。4周后OCM水凝膠處理過(guò)的缺損處的新骨組織幾乎覆蓋內(nèi)側(cè)缺陷，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了大量的膠原纖維和未成熟骨，進(jìn)一步證明了OCM水凝膠對(duì)下頜下組織修復(fù)的促進(jìn)作用。 


圖7 OCM水凝膠的組織修復(fù)性能評(píng)估


  相關(guān)工作以“Polysaccharides-Based Injectable Hydrogels with Fast Gelation and Self-Strengthening Mechanical Kinetics for Oral Tissue Regeneration”為題發(fā)表于ACS旗下生物期刊《Biomacromolecules》，通訊作者為浙江工業(yè)大學(xué)的楊晉濤教授、鄭司雨副研究員和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院孫偉蓮主任醫(yī)師，第一及共一作者為浙江工業(yè)大學(xué)碩士生顧宇聰、袁靜鋒和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院博士研究生楊玉婷。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.biomac.3c00379

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