皮肤适应性与温和光热抗菌多功能水凝胶用于耐药菌感染的伤口愈合

　　第一作者： 赵鹏
　　通讯作者：黄平升, 冯祖建, 张计敏
　　通讯单位：河北工业大学
　　研究速览：
　　近期，  河北工业大学生物医用高分子团队张计敏讲师、瞿雄伟教授与中国医学科学院生物医学工程研究所冯祖建副研究员、黄平升副研究员 等人在  Advanced Science  上共同发表了具有皮肤适应性和温和光热抗菌活性的多功能水凝胶敷料用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染的动态伤口愈合的研究工作。细菌感染常诱导炎症而加重伤口愈合的慢性修复。具有本征型抗菌的水凝胶敷料，可极大的减少抗生素在处理感染伤口的使用剂量。因此，本工作构建了一种多功能水凝胶敷料(rGB/QCS/PDA-PAM)，其在动态伤口上表现出良好的皮肤适应性和温和的光热抗菌活性，可用于安全高效的感染伤口治疗。苯硼酸功能化石墨烯(rGB)和恶二唑修饰的季羧甲基壳聚糖(QCS)与聚多巴胺-聚丙烯酰胺(PDA-PAM)通过共价键和非共价键相互作用形成水凝胶，多重化学键赋予水凝胶柔韧的力学性能、较强的组织粘附性和良好的创面自愈能力。此外，rGB表面的仿糖萼苯硼酸促使水凝胶能够特异性捕获细菌，QCS通过增大的细菌膜通透性增强了细菌对光热治疗(PTT)的敏感性，在温和的光热作用下（<49.6°C）即可对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌实现高效抗菌。体内，水凝胶加速了老鼠MRSA感染伤口处皮肤组织再生，包括完整的皮肤表皮，丰富的胶原沉积和显著的血管生成。因此，具有皮肤力学适应性和本征抗菌活性的rGB/QCS/PDA-PAM多功能水凝胶敷料，在治疗耐药菌感染的伤口方面具有很大的应用潜力（图1）。
　　具有温和光热(M-PTT)抗菌活性的多功能水凝胶敷料(rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶)，在低温(LT，<50°C)下加速耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染伤口愈合的示意图。
　　要点分析：
　　要点一：
　　光热抗菌疗法。  光热抗菌疗法是在近红外的辐照下光热材料将光能转化为热能，进而通过破坏细胞内氧化应激、酶活性、DNA损伤等途径热烧蚀细菌，具有穿透深层组织的显著优势。然而有效的光热疗法抗菌治疗通常需要高温(>60°C)，温度普遍高于生理温度(37°C)，不可避免地会对伤口周围正常细胞和健康组织造成局部热损伤。季铵盐(QAS)通过破坏细菌膜的通透性，使细菌其对光热疗法更敏感，这种方法将有利于提高温和光热疗法的抗菌效率。
　　要点二：
　　rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的结构特点。  水凝胶(rGB/QCS/PDA-PAM)基于聚多巴胺(PDA)和聚丙烯酰胺(PAM)交联体系制备。PDA作为桥梁锚定柔性PAM链，rGB和QCS以加强交联网络。多重共价键和非共价键使水凝胶敷料具有灵活的机械强度、较强的组织粘附性和良好的自愈性能，适应于高频运动的动态创面。
　　图文导读
　　图1.　   rGB、QCS和rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的合成与表征a) rGB纳米片的合成路线。b) GO和rGB的FT-IR光谱。c) 6个月后rGB和rGO在去离子水中的分散稳定性。d) QCS合成路线。e) QCS、QP、CMCS的紫外吸收光谱；f) QCS、QP、CMCS的1H NMR光谱。g) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的制备过程及多重共价和非共价交联网络。rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的XPS谱，h)宽扫描谱，i) C1s反褶积，j) B1s反褶积。
　　图2.　  rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的力学性能及自愈性能。a) 水凝胶的凝胶化时间。b) 拉伸前后rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶照片。c-e) 不同组成rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的应力-应变曲线。f) 优化后的rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶压缩照片。g) 不同应变(30%、50%、80%)下水凝胶无间隔连续加-卸载压缩试验，并计算相应的h) 耗散能量。i) 在恒定80%应变范围内进行10次连续加卸载循环压缩试验。j) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶弯曲、打结、扭转照片。k) 自愈照片及机制。l) 阶跃应变流变扫描。
　　图3.　  rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的粘结性能。a) 水浸前后不同外部变形情况下猪皮上粘水凝胶的照片。b) 剪切拉伸试验示意图和提出的粘接机理。c) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶和商用纤维蛋白密封胶在猪皮上的力-位移曲线，以及对应的d) 粘结强度和粘结能。e) 水凝胶在猪皮上剥皮-粘附6个循环后的粘附稳定性。
　　图4.　    rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的近红外响应光热效应。a) 热图像和b) GO, rGO, rGB的光热转换效率。c) rGB/QCS/PDA/AM混合物和d) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶在不同近红外照射功率下10 min的温度曲线。e) 较小照射功率(0.8 W cm−2)下rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的热图像。f) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶光热稳定性评价。g) 通过水凝胶上的PBA与细菌壁上的二元醇-多糖的强相互作用捕获细菌。h,i) 水凝胶对MRSA和E. coli.的粘附率。
　　图5.　    rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的抑菌活性及机理a) 有或没有轻度近红外照射(0.8 W cm−2,600 s)下不同水凝胶处理活菌/死菌(绿色/红色)的荧光图像b) 轻度近红外照射(0.8 W cm−2,600 s)不同处理后MRSA和E. coli.菌落的光学图像c) MRSA和E. coli.的SEM图像.在0.8 W cm−2,600 s的轻度近红外照射下，不同水凝胶处理MRSA和E. coli.后的变化，包括d) 菌膜电位，e) ATP水平，f) ROS水平和g) DNA和RNA泄漏。h) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶抑菌机理示意图。
　　图6.　   rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶的生物安全性、细胞迁移和止血能力。a) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶溶血试验。b) 用NIR+rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶、rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶和PBS孵育1天和3天后L929细胞的活/死(绿色/红色)荧光图像；c) L929活细胞的定量荧光强度。d) NIR+rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶、rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶和PBS处理后L929细胞的细胞活力。e,f) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶和PBS处理HUVECs 24 h后的光学图像和的迁移率g-j) rGB/QCS/PDA-PAM水凝胶组在鼠尾截肢模型和鼠肝出血模型上的止血图像和定量数据。
　　图7.　   MRSA感染的伤口在体内愈合a) 全层MRSA感染皮肤创面愈合的处理过程。b) 第0、5、10、15天不同处理后的代表性照片和创面痕迹，第5天不同处理组创面细菌菌落。c) 第5天体内抗菌效果定量数据。d) 根据照片计算的伤口闭合率(比例尺:10 mm)。e) 第15天组织病理学H&E染色和创面边缘(红色箭头)，红圈和绿框代表毛囊和新生肉芽。f) 第15天胶原沉积的马松三色染色。g) 第15天血管内皮细胞CD31染色。
　　结论
　　作者成功制备了一种具有组织适应性和高效抗菌活性的多功能水凝胶(rGB/QCS/PDA-PAM)敷料用于MRSA感染的动态创面愈合。rGB/QCS/ PDA-PAM水凝胶的多重共价和非共价交联网络使其具有与皮肤相匹配的机械强度(拉伸模量为4.031 kPa)、较强的组织粘附性(粘附能为78.5 KJ m−2)和较好的自愈合性能，适应于动态创面愈合。此外，水凝胶中的仿糖萼的苯基硼酸功能rGB，可以通过与细菌膜表面的二醇结构形成硼酸酯键来捕获细菌，增强QCS的细菌效应。此外，由于QCS作用下的细菌膜容易受到光热效应的影响，水凝胶在体外温和温度(49.6℃)下对MRSA表现出较高的抑菌活性。此外，在动物实验中，生物相容性水凝胶显著加速了体内MRSA感染伤口的组织再生，愈合后的皮肤具有完整的表皮和丰富的胶原沉积以及较多的血管生成。总的来说，这种多功能水凝胶在临床细菌感染伤口愈合中是非常有前途的。
　　全文链接：  https://doi.org/10.1002/advs.202206585
　　参考文献：  Peng Zhao, Yu Zhang, Xiaoai Chen, Chang Xu, Jingzhe Guo, Meigui Deng, Xiongwei Qu, Pingsheng Huang, Zujian Feng, and Jimin Zhang. Versatile Hydrogel Dressing with Skin Adaptiveness and Mild Photothermal Antibacterial Activity forMethicillin-Resistant Staphylococcus Aureus-Infected Dynamic Wound Healing.   Advanced Science  . 2023
　　doi: 10.1002/advs.202206585
　　作者介绍
　　第一作者：赵鹏，河北工业大学硕士研究生
　　通讯作者：
　　张计敏  ，河北工业大学化工学院，讲师。主要研究方向为生物医用高分子材料及其在组织修复和肿瘤治疗方面的应用。主持河北省自然科学基金青年项目和教育厅青年项目，并参与多项国家自然科学基金联合基金和面上项目。以第一作者或通讯作者在Advanced Science，Biomaterials，Bioactive Materials，ACS Applied Materials & Interfaces等国际重要期刊发表SCI论文。申请中国发明专利6项，授权2项。
　　冯祖建  ，中国医学科学院生物医学工程研究所，助理研究员。主要研究方向为免疫调控生物材料及其在组织修复方面的应用。主持天津市自然科学基金青年项目，并参与多项国家自然科学基金面上项目及医科院医学与健康科技创新工程项目。以第一作者或通讯作者在Advanced Functional Materials，Biomaterials，Advanced Science，Bioactive Materials等国际重要期刊发表SCI论文15篇，其中IF＞10论文10篇。申请中国发明专利7项，授权2项。
　　黄平升  ，中国医学科学院生物医学工程研究所，副研究员。专注于免疫调控生物材料的设计、构建及其对免疫细胞和组织免疫微环境的调节作用，为病缺损组织再生、重大疾病（如肿瘤、心血管疾病）治疗、植介入医疗器械研发等提供有效的策略。相关工作获得了国家自然科学基金面上项目、青年项目，天津市自然科学基金青年项目、以及中国医学科学院医学与健康科技创新工程团队项目资助。以第一/通讯作者在Advanced Science, Biomaterials, Bioactive Materials, Chemical Engineering Journal, Acta Biomaterialia等Top期刊发表SCI论文30余篇，获得授权中国发明专利16项；作为第二完成人，获得2019年天津市科学技术进步奖二等奖；作为指导老师，获得2021年第七届中国国际＂互联网+＂大学生创新创业大赛金奖。