国科温州研究院杨晨、东华大学倪似愚《ACS AMI》：温和光热辅助含低剂量纳米硒的复合水凝胶促进治疗感染性创面愈合

2023-02-03 来源：高分子科技

皮肤产生创面后极易受到外部细菌的感染，从而进一步损伤皮肤甚至内部器官。抗菌敷料是一种非常有前景的治疗策略。然而，目前临床上可使用的抗菌敷料种类有限且存在明显的局限性，比如最常见的银离子敷料具有细胞/组织毒性的风险。此外，现有的抗菌敷料通常是“生物惰性”的，缺乏主动促进伤口愈合、减少愈合周期的特性。因此，迫切需要开发一种兼具高效抗菌与高生物活性的伤口敷料，以针对性地治疗感染性创面。

纳米硒被广泛报道具备抗菌、抗氧化、抗炎、促进组织再生等特性，是非常有潜力的创面修复材料，然而纳米硒发挥这些功效的最佳浓度并不一致：高剂量纳米硒具备优异的抗菌性能，但是会产生细胞毒性，而低剂量纳米硒具备诸多生物活性，但抗菌性能一般。

近日，中国科学院大学温州研究院杨晨副研究员联合东华大学倪似愚副教授团队设计制备了一种含低剂量纳米硒的光热型复合水凝胶（图1）。该复合水凝胶由聚多巴胺修饰的海藻酸水凝胶和低剂量纳米硒组成，聚多巴胺赋予了复合水凝胶良好的近红外光热性能，而低剂量纳米硒增强了材料的多方面生物活性，包括抗氧化、抗炎、促进细胞增殖、迁移、成血管等。更有意思的是，近红外照射引起的温和热环境（45 ℃）与低剂量纳米硒一起产生独特的协同抗菌效应，能够高效清除金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）。动物实验进一步证明了温和光热辅助含低剂量纳米硒的复合水凝胶能够有效清除伤口表面的细菌、加速新生血管的形成、促进胶原生成和伤口愈合。

图1. 设计了一种光热性能良好的聚多巴胺/海藻酸钠/纳米硒复合水凝胶。该水凝胶在近红外光照下能有效杀死细菌、抑制炎症并诱导血管新生，从而显著促进感染性创面的愈合。

该工作以“Mild Heat-Assisted Polydopamine/Alginate Hydrogel Containing Low-Dose Nanoselenium for Facilitating Infected Wound Healing”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上（DOI: 10.1021/acsami.2c21516）。文章共同第一作者是徐金凤、MR. Younis和张赵文斌。该研究得到国家自然科学基金委（No. 32271386）、温州市科技重大项目（ZY2022028）、温州市科技项目（Y20220142）、上海市自然科学基金项目（19ZR1401000），浙江省组织修复材料工程研究中心项目（WIUCAZZXF21001）与国科温研究院启动专项（WIUCASQD2020013, WIUCASQD2021030）的支持。

【文章要点】

一、低剂量纳米硒的复合水凝胶的制备及性能表征

本研究采用物理包裹的方式，成功将纳米硒负载在聚多巴胺修饰的海藻酸钠复合水凝胶中。从扫描电镜图像上可以清楚地观察到，纳米硒颗粒均匀地分散在水凝胶的网络缝隙中，并且随着颗粒浓度的提升，纳米硒颗粒逐渐将水凝的网络缝隙填满。由于聚多巴胺的存在，复合水凝胶具有优异的光热性能，而纳米硒的引入对其光热性能无显著影响。此外，在纳米硒与聚多巴胺的协同作用下，复合水凝胶具有优异的抗氧化性，可显著清除ABTS和DPPH自由基。

图2 低剂量纳米硒复合水凝胶具有优异的光热性能与抗氧化性能。

二、低剂量纳米硒的复合水凝胶激活皮肤相关细胞（内皮细胞与成纤维细胞）的活性

低剂量纳米硒的复合水凝胶能够显著促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和小鼠上皮样成纤维细胞（L929）的增殖与迁移活性，并且上调HUVECs中血管生成相关基因（包括内皮型一氧化氮合酶（eNOS）、血管内皮生长因子（VEGF）、缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）和成纤维细胞生长因子（FGF2））的表达，证明其在体外具有优异的生物活性。

图3 低剂量纳米硒的复合水凝胶促进细胞增殖、迁移与成血管基因表达

三、温和光热辅助低剂量纳米硒的复合水凝胶体外抗菌

为了研究温和热效应与低剂量纳米硒协同抗菌的作用功效，采用808 nm近红外光照射复合水凝胶，以构建45 ℃的温和热环境。在温和光热的辅助下，复合水凝胶对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的抑制率分别达了99.72%和99.80%。从扫描电镜图像上可以清晰地观察到在45℃温和光热与低剂量纳米硒协同作用下，细菌细胞膜被破坏，内容物流出，证明含低剂量纳米硒的复合水凝胶具有优异的体外抗菌效果。

图4 温和光热辅助低剂量纳米硒复合水凝胶高效抗菌

四、温和光热辅助低剂量纳米硒的复合水凝胶对感染性创面的治疗功效

为了探究温和光热辅助低剂量纳米硒复合水凝胶对感染性创面的治疗功效，将其覆盖在金黄色葡萄球菌感染的小鼠皮肤创面上，并通过近红外光照射15分钟来构建45℃的温和热环境。可以发现，45℃温和热与低剂量的纳米硒的协同作用在体内也展现出优异地抗菌性能，24小时内可将感染创面表面的细菌存活率降低到17.04%。此外，低剂量纳米硒复合水凝胶还能够显著促进感染性创面早期的愈合。处理3天后，创面的愈合率就高达52.81%。而在9天后，经过低剂量纳米硒复合水凝胶处理的创面已经几乎完全愈合。

图5 温和光热辅助低剂量纳米硒的复合水凝胶显著促进感染性创面的愈合

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c21516

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（责任编辑：xu）

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