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福州大學石賢愛教授/楊建民副教授課題組 Acta Biomater.：仿生濕粘附多功能水凝膠促進海水浸泡傷口愈合

2023-02-09 來源：高分子科技

由于海上作業、娛樂和瀕海戰爭等導致的傷口不可避免地暴露在高鹽、高滲以及多種致病菌的海水中，從而容易引起嚴重出血、感染、組織壞死、愈合時間延長甚至高病死率等。然而，目前僅有少量關于海水浸泡傷口治療的研究報道，且這些研究沒有充分考慮海水浸泡傷口的特征以及特殊的海洋環境。構建具有穩定濕粘附的多功能水凝膠敷料有望實現在有滲出物、血液、海水等情況下粘附在傷口組織上，從而達到止血、隔離海水、預防感染、減少炎癥、促進愈合等目的。然而，大多數報道的粘附水凝膠對于干燥界面顯示出良好的粘附性，但難以實現對潤濕界面的有效粘附。因為潤濕界面的水化覆蓋層阻礙了水凝膠和基底之間的相互作用。此外，水凝膠的溶脹性能降低了粘合界面粘附基團的密度，并降低了耗散基質的機械性能。受海洋生物濕粘附機制啟發制備的仿生水凝膠可以通過兒茶酚基團與不同基底表面的相互作用實現濕粘附。然而，僅僅依靠兒茶酚基團仍然難以實現對濕潤組織的穩定粘附。因此，制備在潮濕甚至水下環境中具有快速、穩定、持久粘附力的水凝膠敷料仍然是一個挑戰。

近日，福州大學生物科學與工程學院石賢愛教授和楊建民副教授課題組，將兒茶酚改性的氧化透明質酸(OD)、ε-聚賴氨酸(EPL)和Fe³⁺通過希夫堿反應、金屬螯合、陽離子-π和靜電相互作用等制備了多功能水凝膠(OD/EPL@Fe)。通過結合仿貽貝策略、脫水效應和增強內聚力，使得所制備水凝膠具有高濕粘附強度（78 kPa），且粘附效果高于商業纖維蛋白膠和氰基丙烯酸酯膠。同時，該水凝膠可以有效清除海洋特定致病菌（創傷弧菌和銅綠假單胞菌）并抑制其生物膜的形成。此外，所制備水凝膠具有可注射性、自愈合、清除活性氧、光熱效應、隔離海水、按需移除和止血等特性。體內實驗結果表明，在大鼠頸部全層皮膚傷口模型中，該水凝膠對動態傷口有良好的粘附效果。特別是在大鼠海水浸泡感染的傷口模型中，該水凝膠表現出抗菌、抗炎和抗氧化的特性，并能夠加速皮膚結構和功能的重建。

圖1. (A) OD/EPL@Fe水凝膠制備示意圖；(B) 潮濕環境下水凝膠的多種粘附機制；(C) 多交聯結構賦予水凝膠優異的機械彈性和能量耗散；(D) 水凝膠促海水浸泡傷口愈合示意圖。

將豬皮浸泡在海水中，研究水凝膠在海水環境下的濕粘附效果。結果顯示，OD/EPL@Fe₃水凝膠在干燥和海水條件下粘附強度分別為89 kPa和78 kPa。值得注意的是，其濕粘附強度約為商用纖維蛋白膠的8倍，為氰基丙烯酸酯膠的1.5倍。去鐵胺（DFO）作為一種醫用螯合劑，通過快速解離兒茶酚-Fe金屬螯合鍵來去除或更換水凝膠敷料。同時，水凝膠具有隔離海水的效果，防止處理傷口處再次受到海水浸泡。水凝膠的爆裂壓力明顯高于商用氰基丙烯酸酯膠和人體正常血壓。此外，水凝膠還可以粘附在具有較低表面能的器官表面。結果表明，該水凝膠具有良好的濕粘附性能，且在止血和器官密封方面具有應用潛力。

圖2. 水凝膠的濕粘附性能。(A) 搭接剪切試驗示意圖；(B) 水凝膠的搭接剪切強度；(C) 水凝膠按需移除過程；(D) 噴灑DFO前后，粘附力-位移曲線；(E) 水凝膠的濕粘附和按需去除機理示意圖；(F) 隔離海水浸泡試驗；(G) 爆裂壓力裝置示意圖；(H) 水凝膠平均爆破壓力；(I) 水凝膠對漏水的豬胃進行密封；(J) 密封過程中胃部水位的變化；(K) 水凝膠對漏氣的豬肺進行密封；(L) 密封過程中肺部體積的變化。

海水中存在許多致病菌，如創傷弧菌和銅綠假單胞菌，可引起嚴重的傷口感染，從而影響傷口愈合甚至引發致命危險。試驗結果表明，水凝膠對海水中致病菌具有優異殺菌效果。其中，OD/EPL@Fe+NIR組的細菌表面嚴重皺縮，并呈現出大量的孔洞，表明細胞膜被破壞。同時，抗菌試驗結果表明該水凝膠具有光譜抗菌效果。此外，生物膜提高了細菌的耐藥性，并加劇了傷口部位的感染。通過結晶紫染色和STYO 9熒光染色結果，證明了該水凝膠能夠抑制生物膜形成。

圖3. 水凝膠的抗菌和抑制生物膜形成效果。(A) 與水凝膠共培養后創傷弧菌和銅綠假單胞菌的菌落照片；(B) 細菌存活率；(C) 細菌形態學變化；(D) 水凝膠抗菌機理示意圖；(E) 結晶紫染色后生物膜照片；(F) 結晶紫染色后生物膜的OD 570；(G) STYO 9染色后生物膜的共聚焦三維圖像。

為評估OD/EPL@Fe水凝膠促海水浸泡傷口愈合的能力，從福州長樂東海岸（臺灣海峽區域）采集了海水并添加創傷弧菌和銅綠假單胞菌構建了大鼠海水浸泡傷口模型。結果顯示，多功能OD/EPL@Fe水凝膠同時發揮了抗菌、抗氧化、抗炎和促進血管生成的效果；加速了皮膚組織的再上皮化和膠原蛋白的沉積；并明顯促進了海水浸泡感染傷口的愈合。其主要原因是水凝膠具有良好的抗菌效果，殺死了傷口處的細菌并抑制生物膜形成。同時，光熱效應可以加速微循環血流，消除細菌，減少炎癥。此外，所含的透明質酸具有誘導血管生成和促進成纖維細胞的增殖和遷移的能力，有利于促進氧氣和營養物質向傷口部位的運輸和產生更多膠原蛋白。

圖4. 水凝膠對海水浸泡傷口的抗菌和促愈合效果。(A) 海水浸泡感染傷口模型和治療示意圖；(B) 傷口愈合照片；(C) 傷口處的細菌菌落照片；(D) 細菌菌落數計數；(E) 傷口面積變化；(F) H&E、Masson和Giemsa染色；(G) 膠原蛋白沉積情況；(H) 真皮層厚度。

雖然目前已經開發了各種新型功能敷料，但這些敷料主要用于處理在陸地環境中產生的傷口或者在具有良好醫療條件的場景中使用。然而，海洋環境中的傷口護理不僅需考慮敷料對傷口的濕性粘附，還要關注海洋特異性病原體的感染，并能防止處理傷口再次被海水浸泡。此外，快速止血、長期穩定粘附、減少氧化應激、抗物理應力破壞也是海水浸泡傷口愈合的迫切要求。該研究結果表明，所制備的OD/EPL@Fe水凝膠在海水浸泡傷口愈合方面具有應用潛力，且對于濕粘附和多網絡水凝膠研究具有參考價值。該項成果以“Multi-crosslinked hydrogels with strong wet adhesion, self-healing, antibacterial property, reactive oxygen species scavenging activity, and on-demand removability for seawater-immersed wound healing”為題發表在Acta Biomaterialia期刊上。課題組碩士生呂奕成為本論文第一作者，通訊作者為楊建民副教授和石賢愛教授。本研究工作得到了國家自然科學基金（31800796）和福建省自然科學基金（2022J01095）的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.01.045

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（責任編輯：xu）

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