多功能、按需可去除水凝胶攻克海水浸泡伤口恢复难关！

*仅供医学专业人士阅读参考

一般来说，海水浸没伤口与组织坏死、感染、愈合时间延长和死亡率高有关，因为海水中盐度高、高渗和存在各种致病菌。然而，目前的伤口敷料难以实现牢固稳定的湿粘附和抗菌性能，从而限制了其在海水浸泡伤口中的应用。近日，来自福州大学的杨建民和石贤爱教授团队采用贻贝启发的策略、脱水效果和凝聚力增强，制备了一种多功能OD/EPL@Fe水凝胶，用于治疗海水浸泡伤口。该水凝胶在大鼠海水浸泡感染伤口模型中表现出抗菌、抗炎和抗氧化特性，并加速了皮肤结构和功能的重建。结果表明，OD/EPL@Fe是海水浸泡伤口愈合的潜在伤口敷料。相关论文“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”于2023年2月2日在线发表于杂志《Acta Biomaterialia》上。

1. 水凝胶的制备

研究者使用多巴胺官能化的氧化透明质酸（OD）、EPL和Fe3+制备OD/EPL@Fe水凝胶。主要通过席夫碱反应、金属螯合、阳离子-π和碱性条件下的静电相互作用。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强大的湿粘附。同时，多交联网络提高了水凝胶的机械弹性和内聚力，提供了良好的粘附和自愈能力。特别是，儿茶酚-Fe3+配位对水凝胶具有光热作用，与EPL固有的抗菌活性相结合，具有出色的抗菌和生物膜形成抑制作用。此外，儿茶酚-Fe3+网络可以被甲磺酸去铁胺（DFO）破坏，这导致水凝胶粘附降低，并有助于去除或敷料更换。此外，OD/EPL@Fe水凝胶可用作治疗海水浸泡伤口的敷料（图1）。

图1 多功能水凝胶的制备示意图

2. 水凝胶的理化性质

核磁共振、红外光谱和紫外-可见光谱显示HA被氧化，多巴胺成功接枝（图2A和B）。由于存在Fe3+，OD@Fe和OD/EPL@Fe水凝胶都具有深色，而OD/EPL水凝胶具有较浅的颜色（图2C）。图2D表明所有前体都形成了稳定的水凝胶（图1D），而OD/EPL@Fe水凝胶的凝胶时间约为10 s，适合注射（图2E）。OD/EPL@Fe水凝胶在海水浸泡2 h后达到平衡溶胀，溶胀比范围为106%至112%（图2F）。如图2G所示，OD@Fe水凝胶在1 d后在海水中完全分解，而OD/EPL@Fe水凝胶具有缓慢的降解速率，在第33天残余质量为2%±7%。水凝胶的降解主要归因于席夫碱键、金属螯合键、阳离子-π和静电相互作用的裂解。

图2 水凝胶的表征

3. 水凝胶的可注射、自愈、光热和抗氧化特性

OD/EPL@Fe水凝胶的粘度随着剪切速率的增加而不断降低，表明水凝胶的剪切稀化能力（图3A）。OD/EPL@Fe水凝胶可以在破裂后恢复并重塑为心形和圆形（图3B），在112%应力下检测到OD/EPL@Fe水凝胶塌陷点（图3C）。交替应变试验表明，当应力从150%变为1%时，水凝胶塌陷结构可以恢复，并且在2个循环后可以恢复到凝胶状态（图3D）。结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶具有良好的注射性和自愈性，有助于填充形状不规则的伤口，并抵抗外部物理应力的破坏。OD/EPL@Fe水凝胶的自修复主要来自内部动态网络，包括静电相互作用、席夫碱反应和金属螯合（图3E）。OD/EPL@Fe水凝胶在体外具有较高的抗氧化活性（图3F-H）、良好的光热响应（图3I-J）。此外，近红外激光显示出良好的组织穿透性，使水凝胶具有远程杀菌治疗的潜力（图3K）。

图3 OD/EPL@Fe水凝胶的多功能性

4. 水凝胶的体外湿粘附性能

在模拟海水浸泡环境时，将猪皮浸泡在海水中，然后在湿润状态下进行搭接剪切实验（图4A-B）。如图4C所示，喷洒DFO后水凝胶的颜色变浅。此外，粘附力从2.7±0.3 N降低到0.8 ± 0.2 N（图4D），OD/EPL@Fe水凝胶优异的湿附着力由多种因素决定（图4E）。另外，该水凝胶具有良好的湿粘附性和与海水的隔离性，可防止伤口重新浸入海水和细菌入侵（图4F）。爆破压力测试、器官粘附实验均表明水凝胶在止血和器官封闭方面具有广泛的应用潜力（图4G-L）。

图4 水凝胶在潮湿环境中的粘合性能

5. 水凝胶的抗菌能力

抗菌实验表明，与空白组相比，OD@Fe组和OD/EPL组的菌落数量减少，OD/EPL@Fe组和OD/EPL@Fe+NIR组未发现菌落（图5A）。其中，创伤弧菌和铜绿假单胞菌在OD/EPL@Fe+NIR组中的存活率分别为4.9%±0.7%和2.9%±0.6%（图5B）。同时，创伤弧菌呈弧形，铜绿假单胞菌呈杆状，对照组均形态完整，表面光滑（图5C）。但OD/EPL@Fe+NIR组细菌表面起皱严重，出现大量孔隙，表明细胞膜受损。此外，OD@Fe组细菌表面无明显变化，OD/EPL组和OD/EPL@Fe组表面略有皱纹。

此外，OD/EPL@Fe水凝胶的光热效应引起的高温会破坏细菌和变性酶的细胞膜，导致细菌死亡（图5D）。生物膜抑制测试表明，OD/EPL@Fe+NIR水凝胶比OD/EPL@Fe水凝胶具有更好的抗菌活性和生物膜抑制能力（图5E-G）。

图5 水凝胶的抗菌和生物膜抑制能力

6. 水凝胶的生物相容性、止血性能和体内粘附性能

活/死细胞染色和CCK-8测定结果表明水凝胶具有良好的细胞相容性（图6A和B）。同时，溶血率小于5%，表明水凝胶具有良好的血液相容性（图6C）。此外，在第3天植入大鼠的OD/EPL@Fe水凝胶区域未观察到组织坏死，充血或败血症的明显迹象（图6D-E）。结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶具有生物相容性，在伤口敷料中具有潜在的应用前景。

大鼠肝脏和尾部出血模型评估了OD/EPL@Fe水凝胶的止血性能（图6F）。结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶粘附出血部位后15 s内，大鼠尾部和肝脏伤口出血停止。相反，空白对照组显示严重出血（图6G）。

大鼠颈部全层皮肤伤口模型评估了OD/EPL@Fe的粘附和愈合功能（图6I）。结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶在8 h后仍然很好地粘附在大鼠颈部伤口上。同时，OD/EPL@Fe组的伤口愈合率在94天时分别达到1%±14%（图6J）。此外，在第14天，OD/EPL@Fe组观察到光滑完整的新上皮，而对照组没有显示连续的上皮（图6K）。Masson染色结果显示，OD/EPL@Fe组的肉芽组织最厚，而对照组的肉芽组织最少。结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶可以加速伤口的动态愈合。

图6 OD/EPL@Fe水凝胶的生物相容性、止血能力和体内粘附性能

7. 使用水凝胶浸入海水的感染伤口愈合

使用创伤弧菌和铜绿假单胞菌的海水浸没感染伤口模型评估了OD/EPL@Fe水凝胶促进伤口愈合的能力。结果显示，OD/EPL@Fe水凝胶固有的抗菌材料和光热效应提供了良好的抗菌性能，从而加速了伤口从炎症期到修复期的过渡（图7）。此外，OD/EPL@Fe+NIR水凝胶具有促血管形成和胶原沉积的能力，从而促进伤口愈合（图8）。

图7 OD/EPL@Fe水凝胶在海水浸泡感染伤口中的体内抗菌性能和愈合性能

图8 评估伤口愈合效率

综上，本文通过席夫碱反应、金属螯合、阳离子-π和静电相互作用制备多功能OD/EPL@Fe水凝胶，用于治疗海水浸泡伤口。基于贻贝启发的策略，OD/EPL@Fe水凝胶表现出较强的湿粘附性、脱水效果和内聚力增强。该水凝胶还表现出注射性、自愈性、活性氧清除活性、光热效应、按需去除和止血特性。值得注意的是，OD/EPL@Fe水凝胶固有的抗菌材料与光热效应相结合，可以消除海水中的致病菌（创伤弧菌和铜绿假单胞菌）并抑制其生物膜形成。多功能OD/EPL@Fe水凝胶同时发挥抗菌、抗氧化、抗炎、促血管生成活性；加速皮肤组织再上皮化和胶原沉积；并显著促进了海水浸泡感染伤口的愈合。目前的研究结果表明，OD/EPL@Fe水凝胶在海水浸泡伤口愈合方面具有潜力。

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