江西科技师范大学卢宝阳团队《Chem. Eng. J.》：低成本水凝胶烧烫伤急救贴 - 实现快速降温、有效抗炎

2022-11-30 来源：高分子科技

烧烫伤急救贴可快速降低创面高温、抵抗细菌侵害，有效缓解余热损伤、水肿、剧痛等症状，降低烧烫伤患者感染率及死亡率。然而，现有烧烫伤急救产品存在降温性能差、治疗效果有限、创面保护能力弱、成本较高等缺陷，阻碍了其广泛应用。因此，开发集免疫-温度双重调节和形状适应性于一体的高性能、低成本急救贴是烧烫伤护理中亟需解决的问题之一。

近日，江西科技师范大学卢宝阳教授团队开发了一种低成本、快速降温、有效抗炎的多层水凝胶烧烫伤急救贴，包括网状拓扑结构的坚韧聚乙烯醇-壳聚糖（PVA-CS）水凝胶层、聚丙烯酰胺-壳聚糖（PAAm-CS）水凝胶层和聚乙烯（PE）封装层。该水凝胶烧烫伤急救贴（FBP）具有独特的力学、热力学和生物学特性，包括柔软（杨氏模量为83 kPa）、可拉伸（断裂应变超过106%)、高热导率（0.54 W m^-1 K^-1）、快速降温（2分钟内恢复正常）、有效抗菌（金黄色葡萄球菌：96.2%、大肠杆菌：92.2%）和优异的生物相容性（24 h内，细胞存活率高于94.04%）。二级烫伤大鼠活体实验进一步证明，使用该水凝胶烧烫伤急救贴后可有效缓解组织损伤并降低炎症水平。这项研究工作利用超材料多层拓扑结构设计实现异质水凝胶材料各项性能融合，在烧烫伤黄金救助时间内可迅速恢复体温并高效抗菌、保护创面，有望减轻患者病痛、甚至在危急情况下挽救更多的生命。相关研究成果以“A Cost-effective, Fast Cooling, and Efficient Anti-inflammatory Multilayered Topological Hydrogel Patch for Burn Wound First Aid”为题发表于《Chemical Engineering Journal》期刊。

水凝胶烧烫伤急救贴设计、制备：

作者报道了一种利用低廉、商业化材料组装多层拓扑结构的超材料设计策略以融合异质材料的各项性能，其中，聚丙烯酰胺-壳聚糖（PAAm-CS）水凝胶层作为柔软皮肤的保护屏障，实现快速降温、有效抗炎并缓解对受损皮肤组织的刺激；网状拓扑结构的坚韧聚乙烯醇-壳聚糖（PVA-CS）水凝胶层提供力学支撑，同时通过扩大接触面积加速水分蒸发，提高快速降温性能（图1）。作者首先通过同步聚合反应和化学交联壳聚糖溶液中的丙烯酰胺单体，制备了自支撑PAAm-CS水凝胶。为了与PVA-CS坚韧水凝胶无缝集成，将自支撑PAAm-CS水凝胶覆盖在填充了黏性PVA-CS溶胶的菱形网状模具上，通过PVA、PAAm和CS链之间的氢键相互作用形成分子互穿网络层；进而利用多次冻-融循环、物理交联PVA和CS链，可制备出稳定粘附的双层PAAm-CS和PVA-CS水凝胶（图1e）。FBP截面扫描电镜图（图1f-h）证明了双层水凝胶界面处致密的渗透互穿层（图1h）。为了进一步提升抗菌性能，将双层水凝胶冻干后，在FDA批准的医用消毒剂——酸性氧化电解水（EO water）溶胀平衡，经PE薄膜封装后得到水凝胶烧烫伤急救贴产品（图1e）。在烧烫伤急救应用中，PE封装层可轻易剥离，水凝胶贴PAAm-CS底层可轻松贴附于烧烫伤创面上（图1a）。

图1 水凝胶烧烫伤急救贴（FBP）的多层拓扑结构设计策略和制备

水凝胶烧烫伤急救贴力学、降温、抗菌性能：

该水凝胶烧烫伤急救贴力学性能良好，可持续承受各种机械变形，如扭转、滚动、折叠等；断裂伸长率为106%，介于PAAm-CS水凝胶（43%）和网状拓扑PVA-CS水凝胶（158%）之间（图2a,b），能够满足人体运动的应变范围（0~80%）。其杨氏模量为83 kPa，而与创面直接接触的PAAm-CS水凝胶杨氏模量更低（41 kPa，图2c），与人体皮肤及皮下组织（5~2600 kPa）具有良好的机械适配性。两层PAAm-CS和PVA-CS水凝胶之间的界面强度为88 N m^-1（图2d），表明双层水凝胶间的界面结合不会因机械变形引起分离。在50%应变下，循环拉伸证明了FBP具有良好的力学稳定性（图2e），且100次循环后FBP最大应力仍保留87%（图2f）。总体上，FBP具有与皮肤组织相匹配的力学性能，可实现与皮肤温和接触、完美贴合，同时还可作为抵御外部损伤的物理屏障，有望使烧烫伤患者更加轻松和舒适。

图2 水凝胶烧烫伤急救贴（FBP）的柔软、可拉伸、界面稳定的机械性能

作者进而对FBP的降温能力进行了系统测试、评估，研究发现，FBP可热致软化（储能模量降低），热导率高（0.54 W m^-1 K^-1）、含水量高（90.9%）、吸热量（134.78 mW）适宜，且透气性良好（1918.77 g m^-2 d^-1）（图3）。烫伤兔皮模拟实验测试结果表明，FBP在120 s内展现出更好的降温效果，明显优于空白组（图3e,f）。

图3 水凝胶烧烫伤急救贴（FBP）优异的体外降温能力

抗菌性能方面，水凝胶烧烫伤急救贴（FBP）中CS可与细菌壁产生静电相互作用灭菌，且EO消毒水中氯和臭氧可协同杀菌，致使其展现出优异的抗菌活性（金黄色葡萄球菌：96.2%、大肠杆菌：92.2%），应用于烧烫伤可有效避免创面感染、缩短炎症持续时间（图4a-c）。同时，FBP具有良好的细胞相容性，24 h内HFF-1细胞存活率高于94.04%。

图4 水凝胶烧烫伤急救贴（FBP）的高抗菌活性和良好细胞相容性

二级烫伤动物模型：

作者建立了二级烫伤大鼠模型，用来评价FBP的降温、抗炎、组织损伤等急救治疗效果（图5）。研究发现，使用FBP急救后，大鼠烫伤创面温度可在2分钟内由>50 °C快速下降至正常体温（图5a）。与对照组相比，FBP急救后的大鼠表现出更低的炎症水平、更多的组织保留现象和较快的愈合状况。组织学和免疫组织化学结果显示，经FBP急救后大鼠烫伤组织H&E染色中水肿和炎性浸润现象消失、CD68/TNF-α/IL-6表达水平降低、CD31表达升高、胶原容积分数（CVF）呈上升趋势，表明其炎症水平降低、血管再生和胶原蛋白沉积。此外，组织中活性氧（ROS）降低现象也证明了FBP可通过快速降温、有效抗菌来缓解热刺激和细菌感染以减少本体氧化应激的产生。综上所述，FBP的快速降温、有效抗炎和组织保护能力等性能优势，可在烧烫伤救助黄金2分钟时间内发挥至关重要的作用。

图5 水凝胶烧烫伤急救贴（FBP）通过二级烫伤大鼠模型证明了快速降温、有效抗炎的活体应用

该研究工作由江西科技师范大学柔性电子创新研究院完成。药学专业硕士生郑温倩、王莉娜以及药学院本科生焦赫为论文共同第一作者，卢宝阳教授为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140553

50天免费链接（至2023.1.15）：https://authors.elsevier.com/a/1g9C04x7R2ci0o

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（责任编辑：xu）

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