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武漢理工戴紅蓮教授團(tuán)隊(duì)AFM：“診療一體化”-一種兼具光熱抗菌和類酶催化的殼聚糖基水凝膠用于糖尿病創(chuàng)面pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與加速傷口愈合
2024-04-24  來源：高分子科技

  糖尿病創(chuàng)面因高濃度活性氧、持續(xù)炎癥、細(xì)菌感染而難以愈合。目前大多數(shù)創(chuàng)面護(hù)理都依賴于視覺判斷，整個(gè)創(chuàng)面愈合過程都處于“黑盒”狀態(tài)，不利于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。pH值與細(xì)菌感染、血管生成等生理過程相關(guān)，是評(píng)判創(chuàng)面狀態(tài)的重要指標(biāo)。由于局部微血管的滲漏，糖尿病創(chuàng)面常在弱堿性環(huán)境下持續(xù)數(shù)月，促進(jìn)了病原微生物的定植和生長，增加了感染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)創(chuàng)面組織的pH值，能夠明確創(chuàng)面狀態(tài)，為創(chuàng)面感染提供早期風(fēng)險(xiǎn)警示，并根據(jù)糖尿病創(chuàng)面的病理微環(huán)境制定有效的治療策略。


  近期，武漢理工大學(xué)戴紅蓮教授團(tuán)隊(duì)通過將硫辛酸改性殼聚糖（LAMC）與碳量子點(diǎn)（CD）結(jié)合，并引入了氧化鈰復(fù)合二硫化鉬納米粒（C@M@P），構(gòu)建了一種監(jiān)測(cè)與治療一體化的復(fù)合水凝膠（LAMC/CD-C@M@P）。其中，CD具有良好的光致發(fā)光特性，賦予復(fù)合水凝膠熒光性能，能夠作為pH傳感器，持續(xù)監(jiān)測(cè)創(chuàng)面組織的pH值，為細(xì)菌感染提供視覺指示。同時(shí)，C@M@P具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力和活性氧清除活性，能夠在發(fā)生感染之后，有效殺滅致病菌，并通過類酶催化作用緩解氧化應(yīng)激和炎癥響應(yīng)，有效促進(jìn)了糖尿病創(chuàng)面愈合。相關(guān)工作以“A Multifunctional Hydrogel with Photothermal Antibacterial and Antioxidant Activity for Smart Monitoring and Promotion of Diabetic Wound Healing”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊。


【文章要點(diǎn)】


  圖1：作者通過硫辛酸上羧基與殼聚糖上氨基的酰胺反應(yīng)合成了硫辛酸改性殼聚糖（LAMC），不但克服了殼聚糖在中性和弱堿性環(huán)境下水溶性較差的問題，而且LAMC支鏈上靈活的二硫鍵能夠在紫外光下斷裂產(chǎn)生自由基并形成新的二硫鍵，從而構(gòu)成動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)凝膠化。隨后，引入了碳量子點(diǎn)（CD）和氧化鈰復(fù)合二硫化鉬納米粒（C@M@P），基于CD在不同pH環(huán)境下的質(zhì)子化和脫質(zhì)子化過程，復(fù)合水凝膠（LAMC/CD-C@M@P）的熒光強(qiáng)度產(chǎn)生波動(dòng)，在視覺上指示創(chuàng)面組織的pH變化。C@M@P中氧化鈰具有良好的儲(chǔ)氧能力，促進(jìn)了與二硫化鉬之間的電子傳遞，從而增強(qiáng)了C@M@P的光熱效應(yīng)，表現(xiàn)出良好的光熱抗菌能力。此外，氧化鈰與二硫化鉬均能夠與活性氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而清除活性氧，緩解炎癥。因此，LAMC/CD-C@M@P復(fù)合水凝膠具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、光熱抗菌、抗氧化抗炎能力，在糖尿病創(chuàng)面領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1 LAMC/CD-C@M@P水凝膠的制備及診療一體化策略


  圖2：LAMC/CD-C@M@P水凝膠的熒光性能呈現(xiàn)出明顯的pH依賴性，熒光強(qiáng)度隨著pH值的增加而增強(qiáng)，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。為了克服肉眼觀察下顏色變化的誤差，將水凝膠圖像分離為紅（R）、綠（G）和藍(lán)（B）三個(gè)通道，可見隨著pH值的增加，R值逐漸降低，G值基本保持不變，B值逐漸升高。擬合G+B值與pH，能夠得到一個(gè)良好的線性方程。通過讀取復(fù)合水凝膠在紫外光下的RGB值，可以快速計(jì)算出創(chuàng)面組織pH范圍，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)。 


圖2 LAMC/CD-C@M@P水凝膠的智能監(jiān)測(cè)能力


  圖3：基于C@M@P的引入研究了LAMC/CD-C@M@P水凝膠的光熱轉(zhuǎn)換能力。通過表征不同細(xì)菌的抑菌率和細(xì)菌形態(tài)評(píng)估了復(fù)合水凝膠的光熱抗菌效果。結(jié)果顯示，LAMC/CD-C@M@P水凝膠在近紅外輻照下對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌兩種常見致病菌的抑制效果均接近于100%，且能夠熱破壞細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致內(nèi)溶物流出。 


圖3 LAMC/CD-C@M@P水凝膠的光熱抗菌效果


  圖4：以過氧化氫處理的成纖維細(xì)胞建立了氧化應(yīng)激模型，通過測(cè)定細(xì)胞活力和活性氧染色探究了LAMC/CD-C@M@P水凝膠的抗氧化能力。與未經(jīng)過氧化物處理的正常組相比，對(duì)照組的細(xì)胞活力僅占正常組的23%，說明大部分細(xì)胞因氧化應(yīng)激而凋亡損傷。相比之下，LAMC/CD-C@M@P組的細(xì)胞活力能夠恢復(fù)至正常組的68%，且在2,7-二氯熒光素二乙酸酯熒光探針的測(cè)定下，熒光強(qiáng)度顯著減少，表明LAMC/CD-C@M@P水凝膠能夠有效保護(hù)氧化應(yīng)激下的細(xì)胞。以瓊脂糖誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化模擬體內(nèi)炎癥環(huán)境，評(píng)估了LAMC/CD-C@M@P水凝膠對(duì)巨噬細(xì)胞M1和M2表型相關(guān)基因表達(dá)的影響。與瓊脂糖組相比，LAMC/CD-C@M@P水凝膠可以有效抑制M1表型相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)M2表型相關(guān)基因的表達(dá)，表現(xiàn)出良好的抗炎活性。除此之外，研究了LAMC/CD-C@M@P水凝膠對(duì)炎癥響應(yīng)下神經(jīng)分化的影響。熒光染色結(jié)果顯示，在對(duì)照組中，瓊脂糖誘導(dǎo)的M1表型極化損害了神經(jīng)分化過程，而LAMC/CD-C@M@P水凝膠能夠促進(jìn)巨噬細(xì)胞從M1表型向M2表型極化，從而通過M2表型的分泌物促進(jìn)神經(jīng)分化，分化程度大約為4.98倍。 


圖4 LAMC/CD-C@M@P水凝膠的抗氧化和抗炎能力


  圖5：建立了糖尿病大鼠全層皮膚缺損模型，評(píng)估水凝膠的促創(chuàng)面愈合能力。通過LAMC/CD-C@M@P水凝膠的熒光性能監(jiān)測(cè)了術(shù)后三天創(chuàng)面組織的pH值，結(jié)果顯示第2天pH明顯升高，判斷為發(fā)生了細(xì)菌感染并引入光熱療法。第3天的創(chuàng)面pH下降至正常水平，說明感染得以治療，并通過平板計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)了創(chuàng)面部位的細(xì)菌存活率。通過定量分析創(chuàng)面愈合率評(píng)估了水凝膠的促愈合效果，其中，LAMC/CD-C@M@P水凝膠表現(xiàn)出最快的愈合速度，具有優(yōu)異的促糖尿病型創(chuàng)面愈合的能力。 


圖5 LAMC/CD-C@M@P水凝膠應(yīng)用于糖尿病大鼠體內(nèi)模型


  綜上所述，本研究提出了一種基于pH監(jiān)測(cè)判斷創(chuàng)面愈合狀態(tài)，同時(shí)通過光熱抗菌和類酶催化協(xié)同治療糖尿病創(chuàng)面的策略。在該策略中，碳量子點(diǎn)的光致發(fā)光特性具有pH依賴性，可以賦予殼聚糖基水凝膠pH監(jiān)測(cè)能力，為創(chuàng)面感染提供早期預(yù)警。同時(shí)，通過氧化鈰復(fù)合二硫化鉬納米粒的光熱效應(yīng)治療了細(xì)菌感染，通過類酶催化作用清除活性氧，緩解了氧化應(yīng)激和慢性炎癥，促進(jìn)了糖尿病創(chuàng)面修復(fù)和神經(jīng)再生，在糖尿病創(chuàng)面敷料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。


  武漢理工大學(xué)戴紅蓮教授為該論文的通訊作者，武漢理工大學(xué)碩士研究生王越與博士研究生劉坤、魏雯穎為論文共同第一作者。本研究受到國家自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402531

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（責(zé)任編輯：xu）
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