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。
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。
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
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。
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PCPD與APF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)。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c08625
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