广东省科学院生医所郭会龙 ACS Mater. Lett.：高效抗菌抗炎、glucose/ROS双重响应可注射自愈合粘性水凝胶

2023-10-30 来源：高分子科技

由于糖尿病创面极易受到细菌感染，导致伤口严重发炎，无法愈合或反复发作给患者和医疗系统造成了巨大困扰和损失。因此，感染性糖尿病创面的治疗不仅是亟待解决的临床问题，也是关乎民生的国家重要需求。水凝胶伤口敷料与生物软组织结构相似，可以覆盖伤口作为防止外部感染的临时屏障，诱导皮肤组织再生，已成为最具吸引力的伤口敷料。作者前期通过动态化学键及儿茶酚改性的分子设计制备了促组织再生可注射自愈合粘性水凝胶（ACS Appl Mater Inter 2021, 13 (51), 61638-61652；Chem Mater 2022, 34 (6), 2655-2671）。然而，同时兼具组织粘附适应性及伤口微环境响应药物释放高效抗菌、抗炎性能的多功能水凝胶敷料的设计制备仍然是一个持续性的挑战。

近期，广东省科学院生物与医学工程研究所郭会龙副研究员设计了一种高效抗菌抗炎、glucose/ROS双重响应可注射自愈合粘性水凝胶，该水凝胶由儿茶酚改性的羟乙基壳聚糖（GCHCA）与苯硼酸改性的透明质酸（HAAPBA）通过形成动态苯硼酯键赋予水凝胶优异的可注射、自愈合及组织粘附性能，此外，高效光热协同抗菌茶多酚银纳米粒子TP@AgNPs通过纳米粒子表面的邻苯二酚或醌基团与凝胶分子网络中的苯硼酸或伯胺形成动态苯硼酯或亚胺键分散到水凝胶中。并且水凝胶分子网络中glucose/ROS双重响应动态苯硼酯键可实现TP@AgNPs的响应性释放。从而促进M2极化以实现高效的抗炎作用，并且过量活性氧也可被水凝胶中儿茶酚基团和ROS敏感的苯硼酯键的协同作用清除。此外，水凝胶具有良好的生物相容性和抗氧化性能。因此，作者设计的这种先进功能敷料同时具有可注射、自愈合、组织粘附性和优异的光热和银纳米颗粒协同抗菌活性，并可调节巨噬细胞M2极化，以减少炎症反应和清除ROS。经注射可充分填充和粘附在不规则的伤口组织上，通过高效的抗菌、抗炎、抗氧化、促进血管形成和胶原沉积，在体内显著加速感染性糖尿病伤口的愈合过程。

图 1 水凝胶的制备与应用; a) TP@Ag NPs的制备; b) HAAPBA的合成; c) GCHCA的合成; d) 水凝胶的制备及分子网络示意图; e) 感染性糖尿病伤口愈合应用示意图.

儿茶酚基团的引入可赋予水凝胶优异的组织粘附性能，其可以粘附在皮肤组织上且可以适应组织运动，并且粘附在猪皮上的水凝胶在水中经任意弯曲扭折亦不脱落。Lap shear粘接强度可达30 kPa。由于糖尿病伤口中会有较高水平的葡萄糖和活性氧，因此水凝胶网络glucose/ROS双重响应性动态苯硼酯键可实现伤口微环境响应药物释放。由图2f、g和h的研究可知，水凝胶在葡萄糖和活性氧的环境中会响应性降解，释放TP@AgNPs。

图 2 a) 水凝胶在手指皮肤上的粘附性和形状适应性; b) 水凝胶与生物组织表面相互作用示意图; c) 和d) HAAPBA/GCHCA/TP@Ag NPs 水凝胶在水中粘附猪皮的性能; e) lap shear粘接强度; f) Glucose/ROS 响应性释放TP@Ag NPs; g) Glucose/ROS响应性溶胀与降解行为; h) glucose/ROS响应性网络结构示意图和 Glucose/ROS响应性宏观照片和微观形貌变化 (* : p < 0.05, ** : p < 0.01, n=3)

由图3的研究可知，水凝胶中TP@AgNPs的引入可赋予其优异的光热活性及稳定性。水凝胶中TP@AgNPs及NIR照射协同作用可使其杀灭98.96 %的S. aureus 和 99.07 %的E. coli。且水凝胶具有优异的生物相容性和抗氧化性能，如图4所示。

图 3 体外光热和光热抗菌活性

图 4 a) 溶血性能; b) CCK-8 结果; c) 细胞活死定量分析; d) 细胞活死分析; e) DPPH清除率; f) DPPH 清除机制; g) ROS 清除定量分析; h) 活性氧清除照片(* : p < 0.05, ** : p < 0.01, n=5)

水凝胶中TP@AgNPs的响应性释放可调节巨噬细胞M2极化，以减少炎症反应，通过动物实验体内研究，该水凝胶经注射可充分填充和粘附在不规则的伤口组织上，并通过高效的抗菌、抗炎、抗氧化、促进血管形成和胶原沉积，在体内显著加速感染性糖尿病伤口的愈合过程。如图5和图6所示

图 5 a)和b)体外M2极化表征; c) 鼠尾止血测试; d) 体内治疗过程示意; e) 大鼠伤口光热图片; f) 伤口愈合照片; g) 伤口愈合定量分析(*: p < 0.05, **: p < 0.01, n=5)

图 6 a) H&E b) Masson分析; c) IL-1β, IL-4, VEGF 和TGFβ第三天的免疫组化 ; d) CD31 (红) 和 α-SMA (绿)第七天的荧光染色; e) 定量分析 (* : p < 0.05, ** : p < 0.01, n=5)

小结：作者设计的这种多功能水凝胶同时具有可注射、自愈合、组织粘附性和优异的光热和银纳米颗粒协同抗菌活性，并可调节巨噬细胞M2极化，以减少炎症反应和清除ROS。经注射可充分填充和粘附在不规则的伤口组织上，通过高效的抗菌、抗炎、抗氧化、促进血管形成和胶原沉积，在体内显著加速感染性糖尿病伤口的愈合过程。该工作以“Dual Glucose/ROS-sensitive Injectable Adhesive Self-Healing Hydrogel with Photothermal Antibacterial Activity and Modulation of Macrophage Polarization for Infected Diabetic Wound Healing”为题发表在《ACS Materials Letters》上，该工作得到了广东省科学院发展专项资金项目、广东省自然科学基金项目的支持，广东省科学院生医所周小雁博士、南方医科大学珠江医院宁小群主治医师和暨南大学广州红十字会医院与生医所联合培养博士研究生陈艺文为论文的共同第一作者，广东省科学院生医所郭会龙副研究员为论文的通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00925

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻