青岛大学丛海林/胡浩团队《Carbohyd. Polym.》：壳聚糖衍生物交联水凝胶 - 控制释放多聚脱氧核苷酸用于伤口治疗

2022-11-20 来源：高分子科技

核酸作为一种生物活性物质，可直接作用于致病的靶基因或mRNA，在基因水平发挥作用,具有特异性高、效率高、作用时间长等明显优势。基因治疗已被广泛研究用于多种疾病，如癌症、病毒感染、遗传性疾病等的治疗。在创面修复应用中，由于损伤部位周围功能细胞和生长因子表达的紊乱，基因递送显示出了可行性。但由于核酸的易降解性，在伤口治疗中缺乏有效的给药途径，设计智能水凝胶实现核酸的时空可控输送，对临床应用具有重要意义。

近期，青岛大学的丛海林教授，胡浩副教授团队在Carbohydrate Polymers期刊上发表了一篇题为A chitosan derivative-crosslinked hydrogel with controllable release of polydeoxyribonucleotides for wound treatment的研究。已经在医美行业应用的DNA片段（PDRN）具有优异的组织修复功能，然而由于缺乏优异的载体，使得PDRN的应用一直局限于皮下注射。这为患者带来了许多不便，为了将PDRN外用在创面修复中，作者提出了一种利用外源刺激从水凝胶中时空可控释放PDRN的方法。作者利用改性的短链壳聚糖（SCS）作为大分子交联剂，与二硫化钼纳米片（MoS₂）和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）共聚形成复合水凝胶。其中，甲基丙烯酸甲酯（GMA)修饰的SCS可通过与NIPAAm（称为p(NIPAAm-co-GMA/SCS)）共聚而集成到聚合物链中。SCS成分在伤口敷料中充当止血剂和抗菌剂。纳米复合水凝胶中的MoS₂可以将近红外光能转化为热能，触发水凝胶的体积收缩，同时在创面愈合管理过程中实现PDRN的按需控释。同时，光热效应进一步增强了水凝胶的杀菌效果（图1）。所制备的纳米复合水凝胶在全层皮肤缺损模型中评估显示出满意的创面愈合效果。通过对PDRN在创面愈合过程中控释的研究，进一步拓展了它在创面管理中的应用形式。所制备的纳米复合水凝胶为治疗性生物分子创面修复提供了一种便携式、剂量可控的定制化护理方法，有望成为未来临床治疗中很有前景的功能性创面敷料。

图1. 复合水凝胶的制备及应用示意图

为了提高MoS₂的生物相容性和聚合物溶液的均一性，作者首先对其作了SCS改性。作者确定了NIPAAm与SCS的混合比例以平衡共聚物的低临界溶解温度（LCST）与水凝胶的力学性能的关系。如图2所示，水凝胶的宏观状态随温度变化。水凝胶的储存模量（G’）远大于损耗模量（G”），验证了水凝胶的弹性状态。SEM表征了水凝胶典型的三维网络结构，能量色散光谱也表明了水凝胶组分的均匀性。干燥的凝胶在吸收PDRN溶液后变得柔软和流动。作者使用注射装置验证了水凝胶的可注射性和流动性。此外，水凝胶还能很好地黏附在手指关节表面。

图2. 水凝胶的物理性能表征

为了确定水凝胶对PDRN的释放数量，作者通过吸光度测定不同浓度赋予细胞后细胞数量的变化，确定了PDRN的最佳用量。在这些基础上，作者测试了水凝胶的生物相容性，如图3所示，水凝胶显示出良好的细胞相容性，并在一些浓度下出现了促进细胞生长的趋势。溶血测试验证了水凝胶具有良好的血液相容性。

图3. 水凝胶的生物相容性表征

随后，作者利用弗朗茨扩散池（Franz）模拟了水凝胶在创面的真实药物释放行为（图4）。结果显示，在近红外照射下，水凝胶中的MoS₂迅速实现光热转换，促使凝胶网络快速释放PDRN。作者随后又探究了照射时间与药物释放之间的关系，并确定了最佳辐照时间，以保证合适的药物释放。

图4. 水凝胶的药物控制释放探究

加速的细胞增殖和迁移有利于伤口的快速修复。如图5所示，作者验证了在体外近红外光的作用下，水凝胶对细胞增殖和迁移的促进效果，证明了该复合水凝胶作为伤口敷料用于核酸类药物控释的有效性。

图5. 水凝胶的促细胞增殖和迁移测试

如图6所示，作者使用小鼠全层皮肤创面模型评价了水凝胶的治疗效果，联合治疗组的小鼠表现出更快的伤口愈合。第2天创面收缩率超过20%，明显高于其他组。作者还表征了创面愈合过程中伤口部位细胞因子的变化，结果显示水凝胶能够加快创面部位血管形成并具有抗炎作用。在组织学分析中，实验组的创面表现出了高质量的创面愈合效果。

图6. 小鼠全层皮肤创面模型评价水凝胶的治疗效果

总体而言，作者制备了一种纳米复合水凝胶，在近红外光的远程刺激下，可实现PDRN的“时空可控”释放，打破了以核酸为基础的药物在皮肤管理中容易降解和难以递送的困境。纳米复合水凝胶具有使用方便、黏附性好、抗菌性能增强等优点，提高了创面愈合效率，促进了皮肤缺损修复过程中的毛囊、皮肤附属器、胶原蛋白以及细胞因子等的增加。作者提出的水凝胶模型为基因治疗在创面治疗中的应用提供了解决方案。

上述工作得到了国家自然科学基金（21874078，22074072，22274083）、山东省泰山青年基金项目（tsqn20161027）、青岛大学生物纤维与生态纺织品国家重点实验室探索项目（SKT202101）和山东省高级别学科项目的资助。该论文第一作者是青岛大学材料科学与工程学院硕士研究生孙琰祯和荆晓东，青岛大学胡浩副教授和丛海林教授为共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120298

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（责任编辑：xu）

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