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西北大學范代娣教授團隊 Adv. Sci.:用于傷口狀態實時監測和綜合治療的納米復合水凝膠
2024-09-18  來源:高分子科技

  近年來,隨著智能材料的進步,人們開始廣泛研究和開發適用于可穿戴傷口管理的各種智能傷口敷料。許多這些進步僅限于傳感器集成,未能充分解決在現實世界應用中遇到的挑戰,并表現出不足的傷口修復能力。傷口愈合過程中微環境的復雜性對治療方式提出了嚴格的要求。然而,現有的方法要么集中在治療效果有限的個別階段,要么缺乏自主調整傷口微環境復雜性的能力。因此,為及時和全面的治療開發早期診斷、實時監測和積極的藥物輸送控制的方法對于管理復雜的慢性傷口具有至關重要的意義。


  為解決這一問題,西北大學范代娣教授團隊設計了一種納米復合水凝膠,用于傷口狀況的實時監測和綜合治療。單寧酸和含有MMP-9基因的 siRNA 可自組裝成可降解的納米凝膠,并用牛血清白蛋白修飾。將納米凝膠和 pH 指示劑封裝在由降冰片烯二酐改性裸藻多糖合成的雙交聯水凝膠中。由于硼酸鹽鍵合,水凝膠表現出良好的形狀適應性,點擊聚合反應導致水凝膠原位快速固化。該系統不僅監測傷口愈合過程中的 pH,溫度,傷口滲出物改變和運動,而且還表現出止血,抗菌,抗炎和抗氧化特性,調節巨噬細胞極化,并促進血管組織再生。這種將病理參數監測與綜合治療相結合的治療方法,為解決與慢性糖尿病創面和感染創面相關的臨床問題和挑戰提供了廣闊的應用前景。該研究工作以題為“Nanocomposite Hydrogel for Real-Time Wound Status Monitoring and Comprehensive Treatment” 的論文發表在新一期的《Advanced Science》上。文章共同第一作者是西北大學雷桓博士和余雪晴博士,該研究得到了中國博士后科學基金,陜西省博士后科研計劃,陜西省自然科學基礎研究計劃青年基金的支持。


圖1.用于實時監測傷口狀態和整體愈合的納米復合水凝膠的示意圖


圖2. TA-siRNA@BSA 納米凝膠的制備和基因沉默效率


  通過siRNA(MMP-9) 和 TA自組裝形成了 TA-siRNA 納米凝膠,該研究采用牛血清白蛋白(BSA)在 TA-siRNA 納米凝膠上制備涂層,與 siRNA 和 TA-siRNA 納米凝膠相比,TA-siRNA@BSA 納米凝膠載體表現出增強的細胞內化。此外,用 TA-siRNA@BSA (MMP-9)納米凝膠處理的細胞中的 MMP-9水平顯著低于 LPS 和 siRNA (MMP-9)組,強調了 TA-siRNA@BSA (MMP-9)納米凝膠的強大的基因沉默效率。


圖3. N-P/B/SH/[TA(siRNA)@BSA]水凝膠的物理和化學性質


  將降冰片烯接枝到裸藻多糖上,然后與 TA-siRNA@BSA 納米凝膠, LAP和SH-PEG-SH混合,隨后加入硼砂。交聯網絡的第一層包括硼砂和裸藻多糖之間形成的硼酸鹽鍵,擁有屬性其動態特性,使水凝膠能夠在溶膠和凝膠狀態之間振蕩,從而促進足夠的傷口調節和縫隙填充。隨后,使用藍光照射觸發點擊聚合反應,能夠在交聯劑存在下在光照條件下通過原位固化迅速形成二次交聯網絡層,從而促進水凝膠與傷口表面的粘附。


  N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠具有良好的殺菌作用。此外,用 TA (siRNA)@BSA 納米凝膠增強的 N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠的自由基清除效力顯著超過了 N-P/B/SH 水凝膠,強調了 TA 的抗氧化能力在這種情況下的重要作用。此外,兩種水凝膠對 OH 和 O2-自由基的清除能力均優于 DPPH、 ABTS+ 自由基,甚至超過100μm 抗壞血酸。


  N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝不僅具有無毒性質,而且能刺激細胞增殖,遷移及血管形成。同時,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠能有效調節巨噬細胞分泌,促進微環境從促炎狀態向抗炎狀態的轉變。


  利用溴酚藍負載的水凝膠能夠連續監測感染狀態,在不同 pH 范圍(7.0-4.5)的 PBS 溶液中溫育1小時后,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA)水凝膠敷料從石板藍色調轉變為淡黃綠色調指示其實時可視化細菌感染的潛力,與此同時N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA)水凝膠還表現出非凡的應變傳感,溫度傳感,滲出物傳感能力,表明其在監測糖尿病患者的長期慢性炎癥創傷方面巨大的前景。


  動物傷口愈合實驗表明。在第10天,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠組顯示出最小的傷口面積,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠組的表皮結構已經完全再生,在真皮層中具有可觀察到的血管和其他組織附著物,從而強調了水凝膠在促進傷口閉合方面的功效。


  N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠組表現出最顯著的 M2型巨噬細胞的豐度,表明其促進巨噬細胞極化的能力。N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠表現出最高的 VEGF 和 CD31表達水平,與其對應物相比,血管計數顯著增加。這些發現強調了 N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠強大的新血管生成誘導潛力。


  N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠可以促進細胞內抗氧化作用,N-P/B/SH 水凝膠和 N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠緩解 IL-6和 TNF-α 水平,同時不同程度地提高 IL-10表達,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠顯示出最顯著的效果。這些發現強調了 N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠在組織微環境中促進從促炎狀態到抗炎狀態的轉變的能力,從而減輕炎癥并促進傷口愈合。


  總之,該研究率先開發了一種納米復合水凝膠,用于實時監測傷口動力學和整體治療。除了在整個愈合過程中跟蹤 pH 值、溫度、滲出物變化和蠕動外,這種水凝膠還具有多方面的功能,包括止血、抗菌、抗炎和抗氧化特性。此外,它協調巨噬細胞極化和促進血管組織再生。最終,該設想的平臺將病理監測與綜合治療干預相結合,預示著生物醫學努力的前景。


  全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202405924

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