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浙工大楊晉濤/鄭司雨、浙二孫偉蓮 Biomacromolecules：用于口腔組織再生、具有快速凝膠化和自增強特性的可注射水凝膠

2023-06-29 來源：高分子科技

口腔作為生物體進食和發音的關鍵器官，因其潮濕的特性容易滋生細菌，同時口腔也容易因化學或物理創傷而引發諸如發音、咀嚼困難等生理障礙。因此，口腔組織的修復十分重要，但是考慮到口腔是一種頻繁運動的潮濕組織，在設計組織修復材料時應綜合考慮力學韌性、組織黏附等一系列因素。水凝膠作為一種軟濕材料，因其類組織結構和優良生物相容性被廣泛用于組織修復支架。但直接將硬凝膠植入到傷口會給患者帶來不適的體感，而凝膠太軟則不足以支撐缺損空腔，如何解決上述矛盾問題十分關鍵。

浙江工業大學的楊晉濤/鄭司雨課題組近年來在兩性離子聚合物功能材料的設計和相關結構性能關系研究方面取得一系列進展：通過苯乙烯可聚合基團的設計實現聚兩性離子聚合物在鹽介質中的強反聚電解質效應，并基于此構筑了一系列多功能抗菌表面（Adv. Funct. Mater. 2020, 2004633; J Mater. Chem. B 2022, 3039）和高強度離子凝膠（Adv. Funct. Mater. 2023, 2303272; Adv. Funct. Mater. 2022, 2205597; Chem. Mater. 2021, 8418; Chem. Eng. J 2022, 135607）。此外，在組織修復材料方面基于在紗布表面構建離子型聚合物抗菌刷及兩性離子分子-陽離子肽水凝膠制備了多種傷口敷料促進組織愈合（Acta Biomater. 2022, 124; Int. J. Biol. Macromol. 2021, 190, 754-762; Composites Part B 2022, 110119）.

在本文中，作者基于天然多糖，結合-NH2和-CHO之間快速反應的希夫堿反應、和-NH2和環氧基團之間緩慢的反應，開發了一種可生物降解的、能迅速凝膠化填補空腔并緩慢自增強支撐組織修復的可注射水凝膠（OCM）（圖1）。其中快速的希夫堿反應通過殼聚糖（CS）上-NH2和醛基化透明質酸鈉（OSH）上的-CHO反應實現，而緩慢自增強通過殼聚糖上-NH2和和環氧修飾羥基磷灰石（mHAP）之間的反應實現。除了上述編程的時間演化力學行為之外，該水凝膠同時還具有多種功能，包括通過與1）組織表面氨基作用實現的生物粘附，2）通過動態希夫堿網絡實現的自愈合，3）基于殼聚糖實現的殺菌功能，4）基于快速凝膠化和促進血小板聚集實現的止血功能以及5）基于羥基磷灰石特性實現的x射線原位成像功能。

圖1 可注射OCM水凝膠的力學動力學和功能設計

該可注射體系能在3 s內實現凝膠化。同時作者通過組分兩兩混合研究了凝膠化及強化機制，發現僅OSH-CS組和CS-mHAP具有成膠能力，且OSH-CS能在3 s內成膠而CS-mHAP需要60 h成膠，說明希夫堿反應迅速而-NH2和環氧的反應則相對較為緩慢。

圖2 OCM水凝膠成膠過程分析

通過對比殼聚糖-醛修飾透明質酸鈉凝膠（OC）、殼聚糖-醛修飾透明質酸鈉-羥基磷灰石凝膠（OCH）和殼聚糖-醛修飾的透明質酸鈉-環氧修飾的羥基磷灰石凝膠（OCM）注射成膠后不同時間段的斷面形貌和力學性能發現，CS中的氨基與mHAP中的環氧之間的反應確實對體系起到了緩慢逐步的增強效果。同時體系中的氨基與羥基與組織基底產生物理相互作用，具有一定組織粘附能力，使該凝膠應用在組織中成為可能；同時動態席夫堿網絡賦予了凝膠自愈合的能力。

圖3 OCM水凝膠的力學性能特征

OCM水凝膠的降解來源于多糖骨架的水解和席夫堿網絡的動態特征。隨著透明質酸鈉的醛基化程度增加，動態席夫堿網絡的比例上升，凝膠降解率提高。OCM水凝膠在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）和胰蛋白酶溶液(Trypsin)中的有較好的降解性能。同時由于使用的原料大部分為天然多糖，凝膠擁有良好的生物相容性和血液相容性。

圖4 OCM水凝膠的可降解性與生物相容性

OCM水凝膠還具備一定的抗菌和止血性能。殼聚糖上的陽離子基團可以通過靜電相互作用破壞帶負電的細菌細胞壁，達到殺菌目的；同時殼聚糖上的陽離子基團與紅細胞膜產生相互作用，促進血小板聚集，達到促進止血的效果。注射OCM凝膠后小鼠傷口180 s內出血量為39.7 mg，遠低于對照組204.7 mg，體現凝膠良好的止血效果。

圖5 OCM水凝膠的抗菌與止血性能

OCM水凝膠中的mHAP組分具有阻斷輻射的性能，使其在x射線下能顯示出影像。結果表明，正常骨組織的阻斷率設為100%時，OCM凝膠的阻斷率為96.8%，與正常骨組織高度接近；同時隨著OCM凝膠隨著體內降解，其顯現影像的面積也逐步變小，表明能通過顯影成像有效追蹤植入凝膠的體積變化。

圖6 OCM水凝膠的顯影功能

羥基磷灰石與天然骨基質類似，其參與成骨細胞代謝、引導骨細胞生物礦化，促進新骨形成。作者為驗證OCM水凝膠對上頜下缺損軟骨修復的影響。將凝膠注射到缺損處并縫合，4周后進行觀察。4周后OCM水凝膠處理過的缺損處的新骨組織幾乎覆蓋內側缺陷，同時發現了大量的膠原纖維和未成熟骨，進一步證明了OCM水凝膠對下頜下組織修復的促進作用。

圖7 OCM水凝膠的組織修復性能評估

相關工作以“Polysaccharides-Based Injectable Hydrogels with Fast Gelation and Self-Strengthening Mechanical Kinetics for Oral Tissue Regeneration”為題發表于ACS旗下生物期刊《Biomacromolecules》，通訊作者為浙江工業大學的楊晉濤教授、鄭司雨副研究員和浙江大學醫學院附屬第二醫院孫偉蓮主任醫師，第一及共一作者為浙江工業大學碩士生顧宇聰、袁靜鋒和浙江大學醫學院附屬第二醫院博士研究生楊玉婷。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.biomac.3c00379

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（責任編輯：xu）

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