华东师范大学张利东/余家会：伤口敷料/生理调节粘附的水凝胶

粘附允许伤口敷料材料与皮肤表面紧密接触。然而，更换敷料不可避免地会对未愈合创面造成二次损伤，因此具有生理调节粘附性的创面敷料材料具有重要意义。受皮肤化学特征的启发，华东师范大学科研团队为水凝胶伤口敷料提出了一种生理调节的粘附机制。为了构建水凝胶和伤口皮肤表面之间的静电相互作用，吸电子的甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵（MPTAC）共价交联成弹性聚丙烯酰胺水凝胶网络。吸电子特性能够促进MPTAC的阳离子基团与皮肤组织中蛋白质的极性基团之间的强静电相互作用，从而使水凝胶在伤口皮肤表面紧密粘附。组织渗出液逐渐在水凝胶敷料与创面皮肤表面之间形成脂质层，削弱了静电亲和力。结果，水凝胶的粘附能随时间降低，使其更容易从皮肤表面去除。MPTAC 的阳离子基团还通过电荷间排斥效应赋予网络高水溶胀率 (WSR)。电荷间排斥力扩大了交联网络，从而导致更多的水进入水凝胶框架。高WSR允许水凝胶吸收大量组织渗出液，这是伤口敷料材料的另一个重要特性。同时，MPTAC的阳离子基团提供了水凝胶抗菌功能，降低了伤口感染的可能性。除了MPTAC突出的结构特点外，还引入了无毒的角叉菜胶和刺槐豆胶，赋予了水凝胶抗冻功能，可以防止水凝胶伤口敷料在亚零条件下硬化。这种多功能水凝胶作为伤口敷料材料能够展示出有前景的医疗潜力，同时不会给患者带来二次伤害。

【水凝胶的合成】

MPTAC单体在角叉菜胶、刺槐豆胶和K2CO3存在下与丙烯酰胺(Am)单体进行光交联。在80°C 下加热会诱导角叉菜胶和钾离子之间的离子交联。共价交联相与离子交联相结合形成弹性水凝胶，被定义为阳离子水凝胶（图 1），其中阳离子基团在调节水凝胶的性能方面起着关键作用。

图1. 水凝胶的合成与应用。

【生理调节的皮肤表面粘附】

阳离子水凝胶网络中的基团促进了作用位点与皮肤组织中蛋白质的极性基团形成静电相互作用。增加MPTAC，该静电相互作用得到进一步增强，导致界面粘附能量达到50 J m−2,。这些结果证明了交联结构中阳离子基团的关键结构特征，用于构建与皮肤表面的静电相互作用。

图3. 生理调节粘附的定量测量。

【水溶胀性】

高WSR可以让伤口敷料吸收大量渗出液，保持伤口清洁，减少感染的可能性；同时，高WSR也可以保持创面的水分。网络结构中的阳离子基团能够通过离子相互作用赋予水凝胶高 WSR（图 4a），类似于交联聚丙烯酸的水溶胀机制。浸入水中后，收缩网络随着通过毛细管作用和扩散渗透吸水而膨胀。阳离子基团的电荷间排斥使网络进一步扩大，促使更多的水分子进入水凝胶。随着溶胀，共价交联成网络的阳离子部分不能脱离网络进入外部水相，导致水凝胶和外部水相之间的渗透压相反，也增加了水的溶胀性.

图4，膨胀性和机械性能。

【伤口敷料在体内的应用】

为了证明C0至C3水凝胶在伤口愈合方面的良好性能，使用30只昆明小鼠创建全层伤口模型。如图 5a所示，由于阳离子部分加快了组织渗出液的吸收及抗菌作用，在第3天，水凝胶处理的伤口区域（C1至C3组）表现出比对照、3M 薄膜和C0更快的愈合。这些促进愈合的作用一直持续到第9天。所有水凝胶处理的小鼠在第12天基本愈合，皮肤表面没有明显的结痂。然而，在对照组中仍然有可见的疤痕。定量计算表明，水凝胶处理小鼠的伤口愈合率高于对照组和3M薄膜组（图 5b）。水凝胶处理不影响小鼠的正常生活和运动，体重自然增加（图 5c）。

图 5. 体内伤口敷料测试

相关论文以题为Physiologically-Regulated Adhesion of Hydrogels for Wound Dressing发表在《Adv. Mater. Interfaces》上。通讯作者是华东师范大学张利东研究员、余家会研究员。

参考文献：

doi.org/10.1002/admi.202101131