細(xì)菌等病原微生物對(duì)傷口組織的感染,常常會(huì)導(dǎo)致傷口的潰爛,降低傷口愈合的速度和環(huán)境質(zhì)量,更有甚者會(huì)導(dǎo)致生物機(jī)體組織的病變。目前,臨床上主要使用添加抗菌劑的敷料材料來(lái)保護(hù)傷口不受細(xì)菌等病原微生物的侵害。然而,抗菌劑的流失會(huì)導(dǎo)致材料抗菌性能的消減,保護(hù)傷口抗感染的能力下降。因此,研發(fā)具有內(nèi)在抗菌能力和抗菌持久性以及生物響應(yīng)性能的敷料材料在醫(yī)用傷口處理中具有十分重要的意義。
基于此,江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院任學(xué)宏教授團(tuán)隊(duì)和康奈爾大學(xué)Chih-Chang Chu教授合作設(shè)計(jì)了一種可生物降解和生物響應(yīng)性的精氨酸偽蛋白-殼聚糖抗菌水凝膠。該工作將殼聚糖和精氨酸偽蛋白兩種均具有內(nèi)在抗菌效果和生物降解性的生物材料結(jié)合,通過(guò)化學(xué)交聯(lián),溶劑置換等方法得到了精氨酸偽蛋白-殼聚糖抗菌水凝膠,如圖1所示:
圖1 CS-GMA/Arg-PEUU水凝膠的制備示意圖
研究發(fā)現(xiàn)CS-GMA/Arg-PEUU復(fù)合水凝膠具有較高的吸水溶脹性能和pH響應(yīng)性,適用于在復(fù)雜的傷口環(huán)境中對(duì)細(xì)胞信號(hào)分子和蛋白質(zhì)等轉(zhuǎn)運(yùn)。CS-GMA/Arg-PEUU復(fù)合水凝膠具有更優(yōu)異的酶促降解性能,在溶菌酶的存在下10天內(nèi)降解率可達(dá)到52.16%-54.99%。該研究中復(fù)合水凝膠具有刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生NO和釋放TNF-α等生物因子功能,來(lái)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞啟動(dòng)炎癥活性,從而增強(qiáng)炎癥和對(duì)細(xì)菌感染的免疫力,有利于傷口的愈合,使得該水凝膠應(yīng)用于傷口敷料方面的具有大優(yōu)勢(shì)。復(fù)合水凝膠對(duì)紅細(xì)胞、NIH-3T3成纖維細(xì)胞和人血管內(nèi)皮細(xì)胞居于良好的細(xì)胞相容性。
圖2 CS-GMA/Arg-PEUU復(fù)合水凝膠的(A)不同pH值下的溶脹性能,(B)體外酶降解性能;(C)巨噬細(xì)胞NO產(chǎn)量和 (D)TNF-α釋放
CS-GMA/Arg-PEUU復(fù)合水凝膠抗菌效果較單一組分水凝膠的抗菌效果大大提升,復(fù)合水凝膠可以分別滅活91.81%的大腸桿菌和85.59%的金黃色葡萄球菌,顯示出了更好的抗菌性能,并且隨著Arg-PEUU組分的增加,抗菌性能提升(圖3)。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),CS-GMA和CS-GMA/Arg-PEUU水凝膠在接觸細(xì)菌后具有持續(xù)的抗菌效果,這種持續(xù)性有利于在傷口愈合過(guò)程中預(yù)防感染。
圖3 CS-GMA和CS-GMA/Arg-PEUU水凝膠的抗菌性能(A)定性抗菌效果,(B)定量抗菌性能;水凝膠對(duì)(C)大腸桿菌和(D)金黃色葡萄球菌的抗菌動(dòng)力學(xué)分析
該研究的最大意義在于將殼聚糖和精氨酸偽蛋白生物材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合成一個(gè)整體,研發(fā)出一類(lèi)具有內(nèi)在抗菌效果、可生物降解的生物響應(yīng)性精氨酸偽蛋白-殼聚糖多功能的水凝膠材料,為抗菌敷料材料的設(shè)計(jì)及研究提供了借鑒意義。
研究成果以“Development of Inherently Antibacterial, Biodegradable, and Biologically Active Chitosan/Pseudo-Protein Hybrid Hydrogels as Biofunctional Wound Dressings” 為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces(2021, 13, 14688-14699)上。論文的通訊作者是江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院任學(xué)宏教授和康奈爾大學(xué)Chih-Chang Chu教授,論文第一作者為江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院2017級(jí)博士研究生殷茂力。上述研究得到了江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYCX18_1833)、國(guó)家留學(xué)基金委和康奈爾大學(xué)伍文森基金會(huì)的資助和支持。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c21680
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