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西安交大郭保林教授和憨勇教授 ACS Nano:具有濕組織粘附性和快速凝膠化的可注射、抗溶脹和高強度生物活性水凝膠促進快速止血、無縫線傷口閉合和感染皮膚傷口無疤痕修復(fù)
2023-10-24  來源:高分子科技

  皮膚起著感知外界刺激、調(diào)節(jié)體溫、保護身體免受外傷的重要作用,但皮膚也是最容易受損的組織之一。傳統(tǒng)的傷口閉合策略通常是具有侵入性的,易導(dǎo)致創(chuàng)傷、組織整合不良和內(nèi)容物滲漏等問題。因此,開發(fā)生物活性無縫線水凝膠敷料非常重要。但是,開發(fā)具有濕組織粘附性和快速凝膠過程的可注射、抗溶脹和高強度生物活性水凝膠,以滿足快速止血、無縫線傷口閉合和感染皮膚傷口無疤痕修復(fù)的要求,仍然面臨著持續(xù)的挑戰(zhàn)。



  近期,西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院郭保林教授和材料學(xué)院憨勇教授團隊成功制備了一種基于聚(檸檬酸-co-聚乙二醇)-g-多巴胺(PCPD)和負載黃芪甲苷(AS)的氨基封端的Pluronic F127(APF)膠束(AS@APF的可注射、抗菌和抗氧化水凝膠粘合劑。H2O2/辣根過氧化物酶(HRP)催化氧化體系被用于催化兒茶酚基團之間的氧化偶聯(lián)以及兒茶酚基團和氨基之間的化學(xué)交聯(lián)以實現(xiàn)水凝膠網(wǎng)絡(luò)的快速交聯(lián)。該水凝膠表現(xiàn)出快速的成膠過程、高機械強度、抗溶脹性能、良好的抗氧化性能、H2O2釋放行為和可降解性。此外,該水凝膠還具有良好的濕組織粘附性、高爆破壓、優(yōu)異的抗菌活性、AS的長期緩釋性等。該水凝膠對小鼠肝臟、大鼠肝臟和兔股靜脈出血模型均具有良好的止血效果,并且比生物醫(yī)用膠和手術(shù)縫線實現(xiàn)更好的皮膚切口閉合和愈合。此外,水凝膠敷料通過調(diào)節(jié)炎癥、調(diào)節(jié)膠原蛋白I/III的比例、改善血管化和肉芽組織的形成,顯著促進了MRSA感染的全皮層皮膚缺損傷口的無疤痕修復(fù)�?傊�該多功能水凝膠敷料具有組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力,有望在促進慢性感染傷口修復(fù)研究方面提供指導(dǎo)策略。


  在這項研究中,作者首先在無催化劑的情況下,通過檸檬酸、聚乙二醇和多巴胺的熔融縮聚反應(yīng)合成了PCPD預(yù)聚物(圖1a)。由于PCPD的可水解酯鍵、柔性聚合物鏈和豐富的兒茶酚基團,氧化交聯(lián)的PCPD基水凝膠分別具有良好的生物降解性、高強度以及對各種不同基材的高粘合強度。但是氧化交聯(lián)的PCPD水凝膠具有高的溶脹率。為了抑制其高溶脹率,作者通過乙二胺(EDA)對PF127進行氨基化修飾,合成了APF作為水凝膠的另一個關(guān)鍵成分(圖1a)。H2O2/HRP催化氧化體系具有凝膠時間快且可調(diào)、反應(yīng)過程溫和、分解后的過氧化氫不產(chǎn)生有毒產(chǎn)物等優(yōu)點。因此,使用H2O2/HRP催化氧化體系氧化交聯(lián)高分子網(wǎng)絡(luò)制備了一系列可注射水凝膠。在HRP存在下,H2O2產(chǎn)生氧自由基氧化PCPD鏈上的兒茶酚基團,進一步與其他兒茶酚基團發(fā)生氧化偶聯(lián)或通過席夫堿反應(yīng)或邁克爾加成反應(yīng)與APF的氨基交聯(lián),形成水凝膠。同時,未反應(yīng)的兒茶酚基團可以在PCPD聚合物鏈之間提供氫鍵。另一方面,APF作為三嵌段兩親性聚合物,可以在水凝膠中自組裝成膠束,通過膠束微動力交聯(lián)的機械耗散機制,降低PCPD的高溶脹性并有效增強水凝膠的機械強度。此外,負載AS的APF膠束可以表現(xiàn)出AS的長期緩釋特性。水凝膠可以抵抗壓縮和扭曲,并且對不同的組織器官具有良好的粘附性。通過調(diào)節(jié)水凝膠前體中的H2O2含量用于進一步研究(圖1b)。


圖1:PCPD/AS@APF/H2O2水凝膠合成示意圖


圖2:水凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)、溶脹率、微觀形貌、降解性能和抗氧化性能表征。


  實驗結(jié)果表明,APF的添加確實降低了PCPD基水凝膠的溶脹率�?谷苊浶阅懿粌H歸因于三嵌段兩親性聚合物PF127的引入,還歸因于APF在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的高交聯(lián)密度。水凝膠中APF的交聯(lián)密度越高,抗溶脹效果越好。H2O2含量的增加導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度逐漸增大,進而使得水凝膠的孔徑和溶脹率逐漸減小。PCPD中存在的可水解酯基使得水凝膠具有優(yōu)異的生物可降解性能,而PCPD中殘存的兒茶酚基團賦予了水凝膠良好的抗氧化性能。


圖3:水凝膠的凝膠速率、流變性能、軸向壓縮強度、粘附性能和爆破壓測試。


  隨著過氧化氫含量的增加,水凝膠的成膠時間從51秒減少到39秒、33秒和30秒,快速的成膠時間使得雙組分可注射水凝膠粘合劑適用于快速止血應(yīng)用。由于引入的PF127可以自組裝成膠束,從而在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生物理交聯(lián)并施加機械耗散,從而提高水凝膠的機械強度。優(yōu)異的機械強度賦予水凝膠強大的內(nèi)聚力,氧化的兒茶酚基團可與組織界面上的氨基或巰基發(fā)生化學(xué)交聯(lián),這為水凝膠具有高濕組織粘附強度提供了先決條件。對于PCPD/APF/H2O210、PCPD/APF/H2O215PCPD/APF/H2O220,隨著過氧化氫含量的增加,水凝膠的粘附強度不斷增強,最高可達23.56 kPa。水凝膠的粘附機制主要歸因于PCPD預(yù)聚物中豐富的兒茶酚基團,可以與組織界面處的游離氨基和巰基形成化學(xué)交聯(lián),以及水凝膠的強內(nèi)聚力。此外,兒茶酚基團與組織界面之間的氫鍵和陽離子等物理相互作用也有助于水凝膠良好的組織粘附性。


圖4:水凝膠的生物相容性、抗菌性、過氧化氫釋放以及藥物釋放性能


  通過水凝膠與紅細胞的接觸共孵育測試了水凝膠的溶血性能,使用直接接觸法和水凝膠浸出液處理法測試了水凝膠的生物相容性,除H2O2含量最高的PCPD/APF/H2O225在預(yù)浸泡釋放殘留過氧化氫后表現(xiàn)出輕微的毒性,其他樣品在浸泡處理后均表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性。抑菌圈測試和釋放抗菌測試表明PCPD/APF/H2O220PCPD/APF/H2O225具有顯著的抗菌性能�;诹W(xué)性能、生物相容性和抗菌性能的研究,他們最終選擇PCPD/APF/H2O220作為最優(yōu)化的樣品進行后續(xù)研究。PCPD/AS@APF/H2O220AS的藥物釋放曲線表明水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)AS長達300 h的有效緩釋,并且無明顯的初始突釋現(xiàn)象。


圖5:水凝膠的止血性能


  通過小鼠肝臟穿刺出血模型、大鼠肝臟切口出血模型和兔股靜脈出血模型證明了水凝膠具有優(yōu)異的止血性能,這得益于水凝膠高的機械強度、濕組織粘附力、爆破壓和快的凝膠時間。


  所有的體內(nèi)動物實驗結(jié)果表明,PCPD/APF/H2O2水凝膠敷料在抗菌、傷口閉合率、促進膠原沉積和血管生成、炎癥反應(yīng)調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)膠原蛋白I/III的比例等方面均有顯著改善,有效促進了無縫線傷口閉合和感染皮膚傷口的無疤痕修復(fù)。


圖6:水凝膠敷料促進大鼠背部皮膚切口無縫線閉合


圖7:水凝膠促進MRSA感染的全皮層皮膚缺損無疤痕修復(fù)


圖8:不同治療后傷口再生組織中TNF-α、IL-10和VEGF的表達水平。


  綜上所述,該團隊基于負載AS的PCPD和APF膠束成功開發(fā)了一系列可注射、高強度、抗溶脹的生物活性水凝膠粘合劑,具有快速成膠過程,用于快速止血、無縫線皮膚切口傷口閉合和感染皮膚無疤痕修復(fù)等應(yīng)用。使用H2O2/HRP催化體系交聯(lián)水凝膠以氧化PCPD/AS@APF混合物,從而在生理條件下誘導(dǎo)PCPD分子間兒茶酚基團的偶聯(lián)以及PCPDAPF膠束之間的化學(xué)交聯(lián)(席夫堿和邁克爾加成反應(yīng))。APF膠束的引入大大降低了水凝膠的溶脹率,并通過膠束的動態(tài)機械耗散增強了水凝膠的機械強度。殘留的H2O2的釋放賦予水凝膠有效的殺菌性能,殘留的兒茶酚基團可以清除傷口部位的ROS,以平衡愈合階段的ROS水平。水凝膠還提供AS的持續(xù)釋放。體內(nèi)實驗表明,該水凝膠可以通過原位凝膠化快速封閉肝臟和血管出血。此外,水凝膠具有良好的生物降解性和輕微的體內(nèi)炎癥反應(yīng)。與生物醫(yī)學(xué)膠水和手術(shù)縫合線相比,水凝膠實現(xiàn)了更好的皮膚切口傷口愈合。此外,負載AS的水凝膠可以通過調(diào)節(jié)炎癥、改善膠原沉積、促進血管化和肉芽組織形成,顯著增強MRSA感染的全層皮膚缺損傷口的無疤痕愈合。因此,這種膠束增強的可注射水凝膠粘合劑可以作為多功能敷料,用于快速止血、無縫線皮膚傷口閉合和耐藥細菌感染傷口的無疤修復(fù)。


  本研究依托西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院和金屬材料強度國家重點實驗室,得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省重點研發(fā)計劃、陜西省高�?茀f(xié)青年人才托舉計劃項目、中國博士后科學(xué)基金項目的支持。研究成果以“Injectable Antiswelling and High-Strength Bioactive Hydrogels with a Wet Adhesion and Rapid Gelling Process to Promote Sutureless Wound Closure and Scar-free Repair of Infectious Wounds為題發(fā)表在ACS Nano期刊上,西安交通大學(xué)材料學(xué)院副教授趙鑫和碩士研究生駱金龍為本文的共同第一作者,西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院郭保林教授和材料學(xué)院憨勇教授為本文的共同通訊作者。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c08625

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