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廣東省科學院生醫所郭會龍 ACS Mater. Lett.：高效抗菌抗炎、glucose/ROS雙重響應可注射自愈合粘性水凝膠

2023-10-30 來源：高分子科技

由于糖尿病創面極易受到細菌感染，導致傷口嚴重發炎，無法愈合或反復發作給患者和醫療系統造成了巨大困擾和損失。因此，感染性糖尿病創面的治療不僅是亟待解決的臨床問題，也是關乎民生的國家重要需求。水凝膠傷口敷料與生物軟組織結構相似，可以覆蓋傷口作為防止外部感染的臨時屏障，誘導皮膚組織再生，已成為最具吸引力的傷口敷料。作者前期通過動態化學鍵及兒茶酚改性的分子設計制備了促組織再生可注射自愈合粘性水凝膠（ACS Appl Mater Inter 2021, 13 (51), 61638-61652；Chem Mater 2022, 34 (6), 2655-2671）。然而，同時兼具組織粘附適應性及傷口微環境響應藥物釋放高效抗菌、抗炎性能的多功能水凝膠敷料的設計制備仍然是一個持續性的挑戰。

近期，廣東省科學院生物與醫學工程研究所郭會龍副研究員設計了一種高效抗菌抗炎、glucose/ROS雙重響應可注射自愈合粘性水凝膠，該水凝膠由兒茶酚改性的羥乙基殼聚糖（GCHCA）與苯硼酸改性的透明質酸（HAAPBA）通過形成動態苯硼酯鍵賦予水凝膠優異的可注射、自愈合及組織粘附性能，此外，高效光熱協同抗菌茶多酚銀納米粒子TP@AgNPs通過納米粒子表面的鄰苯二酚或醌基團與凝膠分子網絡中的苯硼酸或伯胺形成動態苯硼酯或亞胺鍵分散到水凝膠中。并且水凝膠分子網絡中glucose/ROS雙重響應動態苯硼酯鍵可實現TP@AgNPs的響應性釋放。從而促進M2極化以實現高效的抗炎作用，并且過量活性氧也可被水凝膠中兒茶酚基團和ROS敏感的苯硼酯鍵的協同作用清除。此外，水凝膠具有良好的生物相容性和抗氧化性能。因此，作者設計的這種先進功能敷料同時具有可注射、自愈合、組織粘附性和優異的光熱和銀納米顆粒協同抗菌活性，并可調節巨噬細胞M2極化，以減少炎癥反應和清除ROS。經注射可充分填充和粘附在不規則的傷口組織上，通過高效的抗菌、抗炎、抗氧化、促進血管形成和膠原沉積，在體內顯著加速感染性糖尿病傷口的愈合過程。

圖 1 水凝膠的制備與應用; a) TP@Ag NPs的制備; b) HAAPBA的合成; c) GCHCA的合成; d) 水凝膠的制備及分子網絡示意圖; e) 感染性糖尿病傷口愈合應用示意圖.

兒茶酚基團的引入可賦予水凝膠優異的組織粘附性能，其可以粘附在皮膚組織上且可以適應組織運動，并且粘附在豬皮上的水凝膠在水中經任意彎曲扭折亦不脫落。Lap shear粘接強度可達30 kPa。由于糖尿病傷口中會有較高水平的葡萄糖和活性氧，因此水凝膠網絡glucose/ROS雙重響應性動態苯硼酯鍵可實現傷口微環境響應藥物釋放。由圖2f、g和h的研究可知，水凝膠在葡萄糖和活性氧的環境中會響應性降解，釋放TP@AgNPs。

圖 2 a) 水凝膠在手指皮膚上的粘附性和形狀適應性; b) 水凝膠與生物組織表面相互作用示意圖; c) 和d) HAAPBA/GCHCA/TP@Ag NPs 水凝膠在水中粘附豬皮的性能; e) lap shear粘接強度; f) Glucose/ROS 響應性釋放TP@Ag NPs; g) Glucose/ROS響應性溶脹與降解行為; h) glucose/ROS響應性網絡結構示意圖和 Glucose/ROS響應性宏觀照片和微觀形貌變化 (* : p < 0.05, ** : p < 0.01, n=3)

由圖3的研究可知，水凝膠中TP@AgNPs的引入可賦予其優異的光熱活性及穩定性。水凝膠中TP@AgNPs及NIR照射協同作用可使其殺滅98.96 %的S. aureus 和 99.07 %的E. coli。且水凝膠具有優異的生物相容性和抗氧化性能，如圖4所示。

圖 3 體外光熱和光熱抗菌活性

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

水凝膠中TP@AgNPs的響應性釋放可調節巨噬細胞M2極化，以減少炎癥反應，通過動物實驗體內研究，該水凝膠經注射可充分填充和粘附在不規則的傷口組織上，并通過高效的抗菌、抗炎、抗氧化、促進血管形成和膠原沉積，在體內顯著加速感染性糖尿病傷口的愈合過程。如圖5和圖6所示

圖 5 a)和b)體外M2極化表征; c) 鼠尾止血測試; d) 體內治療過程示意; e) 大鼠傷口光熱圖片; f) 傷口愈合照片; g) 傷口愈合定量分析(*: p < 0.05, **: p < 0.01, n=5)

圖 6 a) H&E b) Masson分析; c) IL-1β, IL-4, VEGF 和TGFβ第三天的免疫組化 ; d) CD31 (紅) 和 α-SMA (綠)第七天的熒光染色; e) 定量分析 (* : p < 0.05, ** : p < 0.01, n=5)

小結：作者設計的這種多功能水凝膠同時具有可注射、自愈合、組織粘附性和優異的光熱和銀納米顆粒協同抗菌活性，并可調節巨噬細胞M2極化，以減少炎癥反應和清除ROS。經注射可充分填充和粘附在不規則的傷口組織上，通過高效的抗菌、抗炎、抗氧化、促進血管形成和膠原沉積，在體內顯著加速感染性糖尿病傷口的愈合過程。該工作以“Dual Glucose/ROS-sensitive Injectable Adhesive Self-Healing Hydrogel with Photothermal Antibacterial Activity and Modulation of Macrophage Polarization for Infected Diabetic Wound Healing”為題發表在《ACS Materials Letters》上，該工作得到了廣東省科學院發展專項資金項目、廣東省自然科學基金項目的支持，廣東省科學院生醫所周小雁博士、南方醫科大學珠江醫院寧小群主治醫師和暨南大學廣州紅十字會醫院與生醫所聯合培養博士研究生陳藝文為論文的共同第一作者，廣東省科學院生醫所郭會龍副研究員為論文的通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00925

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（責任編輯：xu）

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