西南科大张红平《Adv. Healthc. Mater.》：具有抗菌和清除活性氧能力的海绵状大孔水凝胶用于糖尿病伤口再生
具有柔软和湿润特性的水凝胶已被广泛研究用于慢性疾病组织修复。然而，高含水量的组织工程水凝胶通常同时具有小孔尺寸和低的防水能力，导致不期望的手术结果。
图1. 海绵状大孔水凝胶体系 (SM-hydrogels)的设计策略；(a)PAAM 和 SMPAAM 水凝胶分别在紫外光刺激和 Ti3C2 MXene 诱导下制备；(b) 多功能的 SM-水凝胶促进伤口愈合。
近期，西南科技大学材料与化学学院张红平副研究员团队通过一种简单、快速且稳健的方法，由Ti3C2 MXene添加剂诱导丙烯酰胺化多巴胺（MADA）修饰的聚丙烯酸水凝胶的快速凝胶化，开发了一种具有稳定的大孔结构和抗溶胀性能的新型海绵状大孔水凝胶(SM-水凝胶)。Ti3C2 MXene诱导的SM-水凝胶在高含水量下（80 %含水量）具有200-300微米的开放大孔，表现出理想的物质渗透能力，其水/血液运输速度比无孔水凝胶高约20倍。此外，Ti3C2 MXene与聚合物链之间的强相互作用赋予SM-水凝胶优异的抗溶胀能力，有望成为同时具有大孔结构和坚韧机械性能的水凝胶。SM-水凝胶具有的多种功能，例如促进物质转运、抗菌(SMPAAM中的细菌存活率低于25%)和活性氧(ROS)清除能力(120分钟时清除率为96%)协同促进糖尿病伤口愈合(与无孔水凝胶相比，伤口愈合率在7天内从39%增加到81%)，显示了其在创伤组织工程中的巨大潜力。该工作以“Sponge-Like Macroporous Hydrogel with Antibacterial and ROS Scavenging Capabilities for Diabetic Wound Regeneration”为题发表在《Advanced Healthcare Materials》上（Adv. Healthc. Mater. 2022，2200717）。文章第一作者是西南科技大学硕士韦成和博士唐鹏飞。该研究得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。
图2. 海绵状大孔水凝胶的快速凝胶及其微观结构的表征。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝胶的形成过程和颜色随时间变化的照片；(b) APS溶液、紫外光辐射下的APS溶液和Tx/APS（不同浓度Ti3C2 MXene和APS混合溶液，x代表Ti3C2 MXene浓度）的5,5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物(DMPO)捕获ESR光谱）；(c) PAAM和SMPAAM(1h, 24h)水凝胶的XRD光谱；(d) PAA、PAAM、SMPAA SMPAAM水凝胶的光学显微镜和扫描电子显微镜 (SEM) 图像（所有比例尺=500 μm）；(e)水凝胶的水和(f)血液渗透图像。
图3. 不同水凝胶在不同条件下的溶胀特性。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝胶在不同介质下浸泡72 h的照片； (b) 72 h后不同环境中水凝胶的溶胀体积比；水凝胶在(c)去离子水、(d) 3.5 wt% NaCl、(e) PBS溶液和(f)不同pH值溶液中随时间变化的溶胀重量比；(g) PAA-PAA、PAA-Ti3C2MXene和PAA-TiO2之间相互作用的分子动力学模拟。
图 4. 新鲜和溶胀平衡水凝胶的力学性能。(a) 将水凝胶浸入磷酸盐缓冲盐溶液 (PBS, pH=7.4，37 °C) 3天后平衡水凝胶的微观结构；(b) 压缩-松弛循环下平衡 PAA、PAAM、SMPAA 和 SMPPAM 水凝胶的光学图像。溶胀平衡的PAA和PAAM凝胶在弱力（<10 N）的压缩下断裂，而溶胀平衡SMPAA和SMPAAM凝胶在极强的力下压缩到 90% 应变几乎完全恢复；(c) 不同程度拉伸应变下溶胀平衡的 PAA、PAAM、SMPAA 和 SMPPAM 水凝胶的光学图像； 各种水凝胶在新鲜和溶胀平衡状态下的(d)压缩和 (e) 拉伸行为。
图 5. SM-水凝胶对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的体外抗菌活性。 a) 大肠杆菌和表皮葡萄球菌菌落琼脂平板照片，SEM 图像显示与水凝胶孵育后大肠杆菌和表皮葡萄球菌的形态变化；b) 和 c) 大肠杆菌和表皮葡萄球菌菌落的相应统计数据。
图 6. SMPAAM 水凝胶对糖尿病伤口的愈合效果。 (a) SMPAAM水凝胶治疗糖尿病伤口的工艺；(b) PAA、PAAM 和 SMPAAM 水凝胶组和对照组第 0 天至第 14 天未进行水凝胶敷料处理的伤口的代表性照片，比例尺：2 mm；(c) 不同时期的伤口痕迹和伤口面积；(d) 每组新再生皮肤组织第 7 天和第 14 天的 HE 和 Masson 染色。比例尺：500 μm。
该工作是团队近期关于生物医学高分子材料应用研究的最新进展之一。这项研究证明了一种简单而新颖的快速凝胶化海绵状大孔水凝胶的制备策略，它具有创伤愈合和组织修复等多种功能。Ti3C2 MXene诱导的SM-水凝胶同时具有大孔结构(200-300微米)、抗机械疲劳性、抗溶胀和抗菌能力，多种功能的协同效应改善糖尿病伤口愈合 (伤口愈合7天时，伤口闭合率达到81%)。该研究提出的通用方法不仅解决了水凝胶在各种介质条件下的宏观/微观结构、有效性、抗机械疲劳性和耐久性等基本问题，而且可用于生物医学应用中的实际应用。该设计策略为下一代生物工程水凝胶的设计提供了见解。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202200717
