西安交通大学郭保林《ACS Nano》: 双动态键交联抗菌粘合水凝胶用于细菌感染性伤口愈合

皮肤组织完整性的破坏或功能障碍会显著降低患者的生活质量。伤口管理，尤其是对慢性伤口(如感染伤口、腿部静脉溃疡和糖尿病足溃疡)的伤口管理，已经成为一个基本的医疗保健问题，这大大增加了公众的经济负担。皮肤伤口恢复包括止血、炎症、增殖和伤口重塑以及疤痕组织的形成。为了加速这一愈合过程，已经设计和制造了各种生物材料来促进伤口闭合和愈合。可注射水凝胶具有优异的伤口渗出物吸收性能、保湿能力和透氧能力，已被广泛接受为最具吸引力的伤口敷料，具有形状适应性，可覆盖不规则伤口。

伤口部位的粘附和保留以及生物材料的再生特性是皮肤组织再生的重要因素。海洋贻贝启发的粘合化学揭示了功能性粘合水凝胶的发展。海洋贻贝在低酸碱度(< 5)下分泌一种含儿茶酚的粘合剂溶液，该溶液含有弱单络合铁(铁)，单络合铁在海水中进一步转化为双-或三-络合物以增强水下粘合。原儿茶醛是一种具有有趣分子结构特征的天然酚醛，可通过形成包括席夫碱键和儿茶酚金属离子配位化学在内的可逆共价键作为键合基序。已证明聚酰胺具有促凋亡和抗菌性能，并已在临床应用中用于治疗冠心病，表明聚酰胺具有良好的生物相容性。同时，含儿茶酚基团的材料表现出良好的生物相容性和自由基清除能力，以及与铁络合灭活细菌后的光热能力，这是伤口愈合所需要的。此外，通过动态键交联的水凝胶通常表现出自主愈合能力和刺激响应特性，这有助于控制敷料的移除，并避免上皮化组织的创伤。细菌污染引起的感染仍然是伤口愈合的障碍之一。为了解决这个问题，各种抗菌材料被整合到水凝胶中，包括基于氨基糖苷类的抗菌水凝胶。尽管抗菌效果很强，但由于抗生素使用不当而导致的耐药性的发展也不容忽视。因此，迫切需要设计一种具有固有抗菌性能的水凝胶，它可以在没有药物干预的情况下有效地灭活细菌。具有最小侵入性的光热疗法(PTT)已被普遍接受为对抗感染的抗生素治疗的一种有前途的替代策略，特别是对于耐药细菌。最常用的光热剂由碳基复合材料、贵金属纳米材料、金属硫化物纳米材料等组成。然而，纳米粒子的可控合成、去除和潜在毒性仍然是有待克服的挑战。因此，开发具有光热特性的无纳米材料水凝胶作为伤口敷料仍是高度期待的。基于此，西安交通大学郭保林等人通过含铁、含邻苯二酚和醛基的聚酰胺与QCS的双动力交联反应，设计出了具有良好性能的水凝胶。利用对pH敏感的配位键(儿茶酚铁)和动态席夫碱键的双重交联，以及可逆的断裂和再形成，提高了水凝胶的机械性能，而且赋予了水凝胶可注射性和自愈合性能。同时，儿茶酚铁交联基质显示出良好的光热能力。结合QCS固有的抗菌活性，水凝胶作为抗生素的替代品显示出良好的应用前景。此外，用于动态交联的邻苯二酚和醛基赋予水凝胶优异的粘附性。更重要的是，邻苯二酚铁键的酸碱度敏感性和稳定性取决于铁螯合剂的添加，能够在施加适当的刺激后按需溶解或去除粘性水凝胶，该工作以题为“Dual-Dynamic-Bond Cross-Linked Antibacterial Adhesive Hydrogel Sealants with On-Demand Removability for Post-Wound-Closure and Infected Wound Healing” 于近期发表在了《ACS Nano》上，证明了其在处理皮肤切口和感染的全层皮肤伤口中的巨大潜力。

水凝胶的制备为了设计一种具有生物相容性、优异抗菌能力和良好粘附性的双动态键交联自愈合水凝胶，首先合成了QCS和一种稳定的三复合分子铁(PA)₃(PA@Fe)(图1)。通过在壳聚糖链上接枝缩水甘油基三甲基氯化铵(GTMAC)合成QCS。双动态键交联水凝胶是通过席夫碱键混合QCS和聚酰胺@铁制备的(图2A)，铁和聚酰胺的配位可以作为QCS分子之间的一个键合基序来改善QCS水凝胶的机械性能。随着氨基和醛基的摩尔比从40∶1增加到8∶1，水凝胶的最大压缩应力从2.2 N增加到15.0 N（图2C）。

图1 粘性水凝胶的制备和应用示意图水凝胶材料性能表征凝胶时间对于水凝胶作为生物材料的应用很重要。凝胶的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随时间的变化在流变仪上进行检测(图2D)，凝胶时间确定为G′和G″. 55的交点。随着磷酸铁含量的增加，凝胶时间从50分钟减少到10分钟，G′值从270帕增加到1980帕，表明双动态键交联相互作用可以提高凝胶的力学性能。此外，人们普遍认为水凝胶作为敷料可以吸收组织渗出物，保持湿润的环境，有利于伤口恢复。因此，水凝胶的溶胀率在37℃下在PBS (pH 7.4)中进行检测。在图2E中，湿水凝胶的溶胀率从267%下降到174%，在PBS中浸泡12小时后，氨基和醛基的摩尔比从20∶1变化到8∶1，这归因于凝胶的交联密度增加。交联密度最低的QCS-帕@Fe40显示出比其他水凝胶样品更低的超顺磁性，这可能是由于QCS-PA@Fe₄₀的松散网络结构更容易被侵蚀，通过扫描电镜观察了水凝胶的形貌。这表明制备的水凝胶具有多孔结构(图2G)

图2 水凝胶材料表征自愈合和可注射性由于剪切变稀能力，具有优异的自主愈合性能和形状适应性特征的水凝胶在伤口闭合中显示出有希望的应用。水凝胶的粘度(QCS-PA@Fe₁₀)随着剪切速率的增加而降低(图3A)，证明了凝胶的剪切变稀能力。同时，水凝胶可以通过注射器连续注射，以绘制“XJTU”的字母，并在剪切力去除时保持稳定的凝胶状态。

图3 水凝胶的可注射性和自主愈合特性生物相容性由于壳聚糖的溶解是在酸或尿素/碱的干预下发生的，因此选择QCS作为对照组进行体内生物相容性评价，以避免额外材料对生物相容性评价的影响。同时，QCS具有良好的生物相容性。水凝胶样品皮下包埋1周后，所有组均出现急性炎症反应，随着水凝胶降解，炎症细胞和炎症反应逐渐减少。植入4周后样品的轻度炎症反应证明了设计的水凝胶具有良好的体内相容性。这些结果表明抗氧化水凝胶具有良好的生物相容性，在伤口愈合中显示出良好的应用前景。

图4 水凝胶的生物相容性抗菌性能通过表面抗菌活性测试评价凝胶对革兰氏阴性大肠杆菌、革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗菌性能(图5A-F)。在37℃下与水凝胶接触两小时后，大多数大肠杆菌(> 90%)和金黄色葡萄球菌(~80%)被这些水凝胶灭活，证明了对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的优异抗菌性能。近红外辅助抗菌活性光热治疗后，处死小鼠，收集愈合的皮肤并匀浆以评估凝胶的抗菌效果。存活菌落的数量通过标准平板计数法测定。如图5K所示，有或没有近红外辐射干预的空白组，以及没有近红外辐射干预的水凝胶处理的组，没有显示出明显的细菌减少。然而，用近红外辐射水凝胶处理的组与三个对照组相比，细菌数量显著减少(P < 0.05)(图5L)。上述结果表明，抗菌水凝胶可作为伤口敷料用于促进感染皮肤伤口愈合。

图5 水凝胶的抗菌性能粘附性、去除性和止血能力通过以猪皮作为模型生物组织的搭接剪切试验(图6A)。随着磷酸铁含量的增加，水凝胶显示出从3到40千帕范围内的增加的粘合强度(图6B)。外力介入后，将粘好的猪皮弄破，然后将破损水凝胶的切口皮放在一起，用粘性水凝胶可以将重新打开的切口粘好(图6C，D)。记录应用水凝胶后或未治疗时止血过程中的失血量。在两种出血模型中，用水凝胶处理的组显示出更好的止血性能，因为几乎没有检测到明显的血迹(图6H)，而没有处理的组显示出明显的出血。

图6  QCS-PA@Fe₁₀的黏附性能体内伤口闭合和愈合用全厚度皮肤切口模型来评估QCS-PA@Fe₁₀水凝胶的伤口闭合性能。在大鼠背部做皮肤切口(2厘米，全厚)；然后用手术缝线、生物医用胶和粘性水凝胶处理切口伤口，将未处理的伤口设置为对照(图7A)。用水凝胶处理的切口显示出比手术缝线和生物医用胶更好的闭合性。在闭合开始时，由于大鼠的运动，未经处理的切口变大，而用水凝胶处理的切口保持良好的闭合。

图7  水凝胶的伤口愈合评价体内耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染的伤口愈合如图8A-C所示，愈合3天后，用Tegaderm敷料、纯QCS和水凝胶处理的伤口显示出明显的病原体污染，而用水凝胶处理的伤口用近红外辐射显示几乎没有污染。经近红外辐射水凝胶处理的再生皮肤组织显示出更多的血管和毛囊。所有这些结果表明，双交联粘合剂水凝胶作为抗菌伤口敷料的优秀候选物。同时，通过Masson trichrome染色评估胶原沉积(图9A)。蓝色表示胶原蛋白，红色表示角蛋白或肌纤维。结果表明，愈合1周后，皮肤组织显示出明显的胶原蛋白沉积，经近红外照射的水凝胶组显示出最高的胶原蛋白沉积。

图8 抗菌性能评价

图9  生化表征总结双动态键交联网络赋予水凝胶良好的机械强度和组织粘附性，以及优异的自愈合能力。此外，QCS固有的抗菌性能和近红外辅助光热消融协同增强了水凝胶的抗菌效率。所有这些期望的特性赋予水凝胶有效的伤口闭合和显著促进伤口愈合。除了有效地封闭皮肤切口外，双动态键交联水凝胶可以在DFO或酸性溶液的干预下实现按需去除。具有上述所有期望的性能，双动态结合交联的粘性水凝胶可以有效地封闭皮肤切口并能够进行伤口闭合后护理，这在愈合耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染的全层皮肤伤口中显示出积极的效果，表明其作为伤口敷料的巨大潜力。