多交联自愈抗菌水凝胶用于海水浸泡伤口的愈合

　　第一作者：Yicheng Lv, Fengying Cai, Yuxiang He
　　通讯作者：杨建民，石贤爱
　　通讯单位：福州大学
　　研究速览
　　近期，福州大学的杨建民、石贤爱团队在Acta Biomaterialia上发表了对海水浸泡伤口愈合具有较强的湿粘附性、自愈性、抗菌性、活性氧清除活性和按需可移除性多交联水凝胶的研究工作。一般来说，由于海水高盐度、高渗透和存在各种致病菌，海水浸入后的高死亡率与伤口组织坏死、感染、愈合期延长有关。然而，现有的创面敷料难以达到强、稳定的湿性粘附性和抗菌性能，限制了其在海水浸没式创面中的应用。在本文献中，作者主要通过希夫碱反应、金属螯合、阳离子-π和静电相互作用制备了一种多功能水凝胶（OD/EPL@Fe)，包括邻苯二酚修饰的氧化透明质酸（OD）、ε-聚-L-赖氨酸（EPL）和Fe3+。通过结合贻贝激发策略、脱水效应和内聚力增强，获得了具有高湿粘性（约78 kPa）的水凝胶，其湿粘性高于商业纤维蛋白胶和氰基丙烯酸酯胶。同时，OD/EPL@Fe水凝胶可以清除海洋细菌（创伤弧菌和铜绿假单胞菌），抑制其生物膜的形成。此外，该水凝胶还显示出了可注射性、自愈合性、活性氧清除活性、光热效应、海水隔离性、按需去除性和止血性能。体内实验结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶对大鼠颈部全层皮肤创面模型的动态创面有良好的粘附性。特别是，水凝胶在大鼠海水浸没感染的伤口模型中表现出抗菌、抗炎和抗氧化的特性，并加速了皮肤结构和功能的重建。结果表明，OD/EPL@Fe可能是一种潜在的海水浸泡创面愈合敷料。
　　要点分析
　　要点一：水凝胶的设计：  通过贻贝激发策略、脱水效果和内聚力增强，开发了一种具有强湿粘附、抗菌活性、止血、注射、自愈合、活性氧清除活性和按需清除能力的多功能水凝胶（方案1）。在碱性条件下采用多巴胺功能化氧化透明质酸（OD）、EPL和Fe3+通过席夫碱反应、金属螯合、阳离子-π和静电相互作用制备OD/EPL@Fe水凝胶。
　　要点二：水凝胶的湿性粘附：  该水凝胶中含有阳离子赖氨酸残基，可以使粘附界面处的海水层脱水。水凝胶中的邻苯二酚基团还通过π-π堆积、金属络合、氢键和共价交联对组织提供较强的湿性粘附。同时，多交联网络提高了水凝胶的机械弹性和内聚力，提供了良好的粘附性和自愈合能力。
　　要点三‬：水凝胶的杀菌机理：  邻苯二酚-Fe3+配位对水凝胶具有光热效应，与EPL固有的抗菌活性结合，具有显著的抗菌和生物膜形成抑制作用。此外，邻苯二酚-Fe3+网络可被甲磺酸去铁胺（DFO）破坏，从而减少水凝胶粘附，促进去除或换料。
　　示意图‬1.  促进海水浸入式伤口愈合的多功能水凝胶的制备示意图。(A)OD/EPL@Fe水凝胶的制备示意图。(B)在潮湿环境中的多种粘附机制。水凝胶中含有阳离子赖氨酸残基，可以使粘附界面上的海水层脱水。水凝胶中的邻苯二酚基团通过π-π堆积、金属络合、氢键和共价交联向组织提供强烈的湿粘附。(C)多交联结构具有机械弹性和能量耗散性，以适应动态环境。(D)在水浸没感染伤口模型中水凝胶加速伤口愈合的机制。海水浸泡会引起细菌感染、氧化应激和炎症反应。OD/EPL@Fe水凝胶具有抗菌、抗炎、抗氧化和血管生成等特性，可加速海浸式感染伤口的愈合。
　　图文导读
　　图 1  . 水凝胶的表征。(A) OHA和OD的1H NMR谱。(B) OD和OD/EPL@Fe水凝胶的FT-红外光谱。(C) OD@Fe、OD/EPL和OD/EPL@Fe水凝胶的凝胶化和粘附的照片。(D)水凝胶的流变行为。(E) 水凝胶的凝胶化时间。(F) 海水中水凝胶的膨胀特性和照片（pH≈8.0）。(G) 海水中水凝胶的质量损失。(H) 在25°C振荡频率扫描模式下的流变学分析。(I) OD@Fe、OD/EPL和OD/EPL@Fe水凝胶的扫描电镜图。
　　图 2.   OD/EPL@Fe水凝胶的多功能。(A)水凝胶的剪切稀释性能。插图：＂FZU＂，通过双注射器注射OD/EPL@Fe前驱体溶液进行书写。(B)OD/EPL@Fe水凝胶的宏观自愈合照片。(C)OD/EPL@Fe水凝胶的应变振幅扫描，应变范围为0.1%至150%（1 Hz）。(D) 在交替阶梯应变扫描模式下OD/EPL@Fe水凝胶的流变行为。(E)水凝胶的自愈合机理示意图。(F)OD/EPL@Fe水凝胶清除ABTS+的活性。(G)水凝胶处理后的2’,7’-二乙酸二氯荧光素（DCFH-DA）处理后的荧光图像。(H)水凝胶处理后的DCFH-DA荧光强度。(I) 808 nm红外线体外照射后水凝胶的温度变化曲线。（2 W/cm2，3 min）。(J)在808nm 红外线照射（2 W/cm2，3 min）下的光热稳定性。(K)体内光热图像（2W/cm2，5 min)。
　　图 3.   水凝胶在潮湿环境中的粘附性能。(A)在海水中进行的包圈剪切试验的示意图。(B)水凝胶对干燥和潮湿猪皮肤的剪切强度。(C)使用OD/EPL@Fe3水凝胶按需去除实验的照片。(D)在DFO处理前后，OD/EPL@Fe3水凝胶结合解剖猪皮肤的典型力-位移曲线。(E)OD/EPL@Fe3水凝胶的湿粘附和按需去除示意图。(F) OD/EPL@Fe3水凝胶分离的海水浸泡照片。(G)家庭设计的测量爆裂压力的装置示意图。(H)水凝胶和氰基丙烯酸酯的平均破裂压力。(I)使用OD/EPL@Fe3水凝胶密封漏水的猪胃。插图：在猪胃上有一个直径为10毫米的洞。(J)与密封过程对应的胃内水位。(K)使用OD/EPL@Fe3水凝胶密封漏气的猪肺。插图：在猪肺中有一个25毫米长的凹槽。(L)密封过程对应的肺容积变化。
　　图 4.  水凝胶的抗菌能力和抑制生物膜能力。(A)创伤弧菌和铜绿假单胞菌与水凝胶共培养后的菌落照片。(B)与水凝胶共培养后的细菌存活率。(C) 显示创伤弧菌和铜绿假单胞菌与水凝胶共培养后的形态学变化的扫描电镜图。(D)由质子化氨基、Fe3+和OD/EPL@Fe水凝胶的光热效应诱导的细菌破坏的抗菌能力示意图。(E)创伤弧菌和铜绿假单胞菌生物膜与水凝胶共培养后用结晶紫染色的照片。(F)用结晶紫染色的生物膜在570处的光密度。(G)STYO 9染色后生物膜的共聚焦三维图像。
　　图 5.   OD/EPL@Fe水凝胶的生物相容性、止血能力和体内粘附特性。(A)3T3细胞与水凝胶提取物孵育3天后的活/死染色的荧光图像。(B)用水凝胶提取液孵育3天后，3T3细胞的细胞存活。(C)各组分水凝胶的溶血行为。(D)水凝胶体内降解示意图和照片。(E)大鼠背部皮下水凝胶植入部位组织的H&E染色（水凝胶：黄色星号）。(F)大鼠尾部及肝止血模型示意图。(G)大鼠尾部和肝脏的止血过程的照片。(H)不同组的尾部和肝脏失血量（n = 5）。（I）大鼠颈部全层皮肤创面模型示意图及水凝胶粘附在伤口上的照片。(J)不同敷料治疗后伤口愈合的照片（n = 5）。(K)各组的H&E染色和Masson染色。
　　图 6.   OD/EPL@Fe水凝胶在海水浸入式感染创面中的体内抗菌性能和愈合性能。(A)海水浸没式感染创面模型及治疗示意图。(B)不同敷料治疗后伤口愈合的照片（n = 5）。(C)两种不同伤口组选择性分离培养基的细菌孵育后的菌落照片（n = 5）。(D)不同敷料治疗组伤口中的菌落计数（n = 5）。(E)不同敷料治疗组在第0、3、7、14天的伤口闭合面积（n = 5）。(F)不同敷料处理组的H&E染色、Masson染色、Giemsa染色。(G)不同敷料处理组的胶原蛋白沉积。(H)不同敷料处理组的真皮层厚度。
　　图 7.  伤口愈合效率的评价。(A)第7天不同组VEGF（红色）免疫荧光染色后的照片。(B)通过VEGF对相对面积覆盖率进行定量分析。(C)对第7天不同组的CD31结构（红色）和α-SMA阳性细胞（绿色）进行免疫荧光染色后的照片。(D)对CD31覆盖面积的相对覆盖率进行定量分析。(E)不同组在第14天对I型胶原（红色）和成纤维细胞标记物波形蛋白（绿色）进行免疫荧光染色后的照片。(F)胶原蛋白覆盖面积的相对百分比的定量分析。(G)第7天对IL-6、TNF-α和IL-10进行免疫染色。(H)通过IL-6、TNF-α和IL-10对区域覆盖面积的相对覆盖率进行定量分析。
　　结论
　　在该论文中作者通过席夫碱反应、金属螯合、阳离子-π和静电相互作用制备了一种多功能的OD/EPL@Fe水凝胶。
　　1）OD/EPL@Fe水凝胶具有较强的湿附着力。结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶的湿粘附强度是纤维蛋白胶的8倍，是氰基丙烯酸酯胶的1.5倍。
　　2）此外，该水凝胶还显示出了可注射性、自愈合性、活性氧清除活性、光热效应、按需去除性和止血性能。OD/EPL@Fe水凝胶中的内在抗菌物质与光热效应相结合，可以清除海水中的致病菌（创伤弧菌和铜绿假单胞菌），抑制其生物膜的形成。
　　3）多功能OD/EPL@Fe水凝胶同时具有抗菌、抗氧化、抗炎和促血管生成活性；加速皮肤组织再上皮化和胶原沉积；显著促进海水浸没感染伤口的愈合。
　　本研究结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶在海水浸没伤口愈合方面的潜力。
　　全文链接：  https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.01.045
　　参考文献：  Yicheng Lv, Fengying Cai, Yuxiang He, Liang Li, Yufeng Huang, Jianmin Yang, Yunquan Zheng, Xianai Shi. 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.   Acta Biomaterialia. 2023 .
　　DOI: 10.1016/j.actbio.2023.01.045