基于明胶辅助直接交联策略合成硫化铜复合水凝胶用于感染伤口

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感染伤口的愈合过程缓慢，严重情况下会导致败血症，器官坏死甚至死亡。无机纳米复合水凝胶敷料的使用能够结合无机纳米材料和水凝胶材料各自的优势，更好地促进感染伤口的愈合。

近年来，研究人员设计制备了多种无机纳米复合水凝胶敷料用于感染伤口的治疗，并取得了一定的进展。其中，硫化铜（CuS）纳米复合水凝胶敷料表现出独特的优势：首先，CuS纳米颗粒本身具有近红外光响应的光热-光动力性能，能够产生极好的杀菌效果；其次，CuS纳米颗粒释放出的铜离子能够有效促进血管生成和内皮细胞的增殖，进而促进伤口愈合。当前，CuS纳米复合水凝胶敷料主要通过先合成稳定剂（如PEG，PVP等）包覆的CuS纳米颗粒，随后与水凝胶前驱体混合后成胶的方式制备。这种方式存在一些问题，如CuS纳米颗粒往往需要经过冗长的纯化、超声、再分散过程，不仅容易引起颗粒团聚，甚至可能会造成颗粒的氧化；此外，CuS纳米颗粒在水凝胶前驱体中分散不彻底会导致最终得到的复合水凝胶力学和光学性能的空间差异性。

2023年5月4日，中科院苏州纳米所姜江研究员团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志（IF = 10.383）在线发表了题为“CuS Hybrid Hydrogel for Near-Infrared-Enhanced Infected Wound Healing: A Gelatin-Assisted Synthesis and Direct Incorporation Strategy”的工作。

该工作通过首先在水凝胶前驱体-明胶溶液中制备了CuS纳米颗粒，形成了CuS-明胶混合液。混合液中的CuS纳米颗粒抗氧化能力更强，粒径均一（~5 nm）。随后，将混合液直接与氧化葡聚糖（ODex）交联，CuS纳米颗粒以交联点的方式分布并参与了CuS纳米复合水凝胶敷料（Gel-CuS/ODex）的形成（图1）。由于CuS颗粒在水凝胶中均匀分布，该水凝胶敷料光学性质极为稳定，能够产生光热-光动力的杀菌效果。此外，通过对活体感染伤口模型的治疗也可发现，Gel-CuS/ODex水凝胶敷料能够促进血管生成，内皮细胞增殖以及胶原沉积，从而促进了伤口愈合。

图1. CuS纳米复合水凝胶敷料的设计、制备及对感染伤口的治疗

【文章要点】

1. CuS-明胶混合液及Gel-CuS/ODex水凝胶的制备

首先，直接于明胶溶液中制备了分布极为均匀的CuS纳米颗粒，形成一种CuS-明胶混合液。图2A, B显示CuS纳米颗粒分布均匀，粒径约5 nm。与PVP稳定的CuS溶液相比，CuS-明胶混合液抗氧化能力更强（图2 C, D）。随后，将其与ODex充分混合，通过希夫碱交联方式形成Gel-CuS/ODex水凝胶。图2 E-G显示所制备的水凝胶为多孔结构，CuS纳米颗粒均匀分布于水凝胶内部。这种方法制备的Gel-CuS/ODex水凝胶具有稳定的光学性能（图2 H）。

图2. CuS-明胶混合液的(A)TEM，(B)DLS分析；抗氧化能力检测

2. Gel-CuS/ODex水凝胶的光热-光动力性能及对感染伤口的治疗

如图3A, B所示，研究者评价了Gel-CuS/ODex水凝胶的光热性能以及光稳定性，通过计算得出该复合水凝胶的光热转换效率为41%，表明其显著的光热效果；此外，在近红外光照射下，Gel-CuS/ODex水凝胶能够有效产生单线态氧和羟自由基（图3C, D），这表明Gel-CuS/ODex水凝胶具有良好的的光热-光动力效果。因此，研究者将其用于感染伤口的治疗，发现在近红外光照下，Gel-CuS/ODex水凝胶显著促进了伤口的愈合：具体体现在相对更小的伤口面积，更浅的伤口深度；在第14天治疗结束后，伤口愈合度达到98.2%，明显高于对照组（81.5%）。

图3. Gel-CuS/ODex水凝胶的(A)光热性能

【结论与展望】

综上，该研究提出了一种明胶稳定的CuS与氧化葡聚糖直接成胶策略，设计并制备了一种Gel-CuS/ODex水凝胶。该方法简单且高效，在CuS纳米颗粒制备过程中避免了提纯再分散步骤，有效解决了纳米颗粒在水凝胶中分布不均匀导致的力学性能和光学性能差异的问题。在此基础上，研究者将Gel-CuS/ODex水凝胶用于感染伤口的治疗，结果表明该复合水凝胶能够有效消除感染，促进内皮细胞的增殖，血管生成以及胶原沉积，从而显著促进了伤口愈合。此外，研究者还验证了该明胶辅助直接交联策略制备纳米复合水凝胶的普适性，通过制备明胶稳定的纳米金、硫化银以及硒化铜等纳米颗粒，可以与氧化多糖类聚合物（氧化透明质酸，氧化海藻酸钠等）直接形成多种纳米复合水凝胶。因此，本研究为快速制备性质均一稳定且可调的纳米复合水凝胶提供了一种新的思路，有助于推动纳米复合水凝胶在生物医药领域的进一步应用。

中科院苏州纳米所博士研究生贾鹏鹏为本文第一作者，邹彧副研究员和姜江研究员为本文共同通讯作者。本研究受到江苏省六大人才高峰及中科院苏州纳米所的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c02241

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