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西南科大張紅平《Adv. Healthc. Mater.》：具有抗菌和清除活性氧能力的海綿狀大孔水凝膠用于糖尿病傷口再生
2022-08-18  來源：高分子科技

  具有柔軟和濕潤特性的水凝膠已被廣泛研究用于慢性疾病組織修復(fù)。然而，高含水量的組織工程水凝膠通常同時(shí)具有小孔尺寸和低的防水能力，導(dǎo)致不期望的手術(shù)結(jié)果。

 

圖1. 海綿狀大孔水凝膠體系 (SM-hydrogels)的設(shè)計(jì)策略；(a)PAAM 和 SMPAAM 水凝膠分別在紫外光刺激和 Ti3C2 MXene 誘導(dǎo)下制備；(b) 多功能的 SM-水凝膠促進(jìn)傷口愈合。


  近期，西南科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院張紅平副研究員團(tuán)隊(duì)通過一種簡單、快速且穩(wěn)健的方法，由Ti3C2 MXene添加劑誘導(dǎo)丙烯酰胺化多巴胺（MADA）修飾的聚丙烯酸水凝膠的快速凝膠化，開發(fā)了一種具有穩(wěn)定的大孔結(jié)構(gòu)和抗溶脹性能的新型海綿狀大孔水凝膠(SM-水凝膠)。Ti3C2 MXene誘導(dǎo)的SM-水凝膠在高含水量下（80 %含水量）具有200-300微米的開放大孔，表現(xiàn)出理想的物質(zhì)滲透能力，其水/血液運(yùn)輸速度比無孔水凝膠高約20倍。此外，Ti3C2 MXene與聚合物鏈之間的強(qiáng)相互作用賦予SM-水凝膠優(yōu)異的抗溶脹能力，有望成為同時(shí)具有大孔結(jié)構(gòu)和堅(jiān)韌機(jī)械性能的水凝膠。SM-水凝膠具有的多種功能，例如促進(jìn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、抗菌(SMPAAM中的細(xì)菌存活率低于25%)和活性氧(ROS)清除能力(120分鐘時(shí)清除率為96%)協(xié)同促進(jìn)糖尿病傷口愈合(與無孔水凝膠相比，傷口愈合率在7天內(nèi)從39%增加到81%)，顯示了其在創(chuàng)傷組織工程中的巨大潛力。該工作以“Sponge-Like Macroporous Hydrogel with Antibacterial and ROS Scavenging Capabilities for Diabetic Wound Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上（Adv. Healthc. Mater. 2022，2200717）。文章第一作者是西南科技大學(xué)碩士韋成和博士唐鵬飛。該研究得到國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的支持。


圖2. 海綿狀大孔水凝膠的快速凝膠及其微觀結(jié)構(gòu)的表征。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝膠的形成過程和顏色隨時(shí)間變化的照片；(b) APS溶液、紫外光輻射下的APS溶液和Tx/APS（不同濃度Ti3C2 MXene和APS混合溶液，x代表Ti3C2 MXene濃度）的5,5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物(DMPO)捕獲ESR光譜）；(c) PAAM和SMPAAM(1h, 24h)水凝膠的XRD光譜；(d) PAA、PAAM、SMPAA SMPAAM水凝膠的光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像（所有比例尺=500 μm）；(e)水凝膠的水和(f)血液滲透圖像。 


圖3. 不同水凝膠在不同條件下的溶脹特性。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝膠在不同介質(zhì)下浸泡72 h的照片； (b) 72 h后不同環(huán)境中水凝膠的溶脹體積比；水凝膠在(c)去離子水、(d) 3.5 wt% NaCl、(e) PBS溶液和(f)不同pH值溶液中隨時(shí)間變化的溶脹重量比；(g) PAA-PAA、PAA-Ti3C2MXene和PAA-TiO2之間相互作用的分子動力學(xué)模擬。 


圖 4. 新鮮和溶脹平衡水凝膠的力學(xué)性能。(a) 將水凝膠浸入磷酸鹽緩沖鹽溶液 (PBS, pH=7.4，37 °C) 3天后平衡水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)；(b) 壓縮-松弛循環(huán)下平衡 PAA、PAAM、SMPAA 和 SMPPAM 水凝膠的光學(xué)圖像。溶脹平衡的PAA和PAAM凝膠在弱力（<10 N）的壓縮下斷裂，而溶脹平衡SMPAA和SMPAAM凝膠在極強(qiáng)的力下壓縮到 90% 應(yīng)變幾乎完全恢復(fù)；(c) 不同程度拉伸應(yīng)變下溶脹平衡的 PAA、PAAM、SMPAA 和 SMPPAM 水凝膠的光學(xué)圖像； 各種水凝膠在新鮮和溶脹平衡狀態(tài)下的(d)壓縮和 (e) 拉伸行為。 


圖 5. SM-水凝膠對大腸桿菌和表皮葡萄球菌的體外抗菌活性。 a) 大腸桿菌和表皮葡萄球菌菌落瓊脂平板照片，SEM 圖像顯示與水凝膠孵育后大腸桿菌和表皮葡萄球菌的形態(tài)變化；b) 和 c) 大腸桿菌和表皮葡萄球菌菌落的相應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。


圖 6. SMPAAM 水凝膠對糖尿病傷口的愈合效果。 (a) SMPAAM水凝膠治療糖尿病傷口的工藝；(b) PAA、PAAM 和 SMPAAM 水凝膠組和對照組第 0 天至第 14 天未進(jìn)行水凝膠敷料處理的傷口的代表性照片，比例尺：2 mm；(c) 不同時(shí)期的傷口痕跡和傷口面積；(d) 每組新再生皮膚組織第 7 天和第 14 天的 HE 和 Masson 染色。比例尺：500 μm。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于生物醫(yī)學(xué)高分子材料應(yīng)用研究的最新進(jìn)展之一。這項(xiàng)研究證明了一種簡單而新穎的快速凝膠化海綿狀大孔水凝膠的制備策略，它具有創(chuàng)傷愈合和組織修復(fù)等多種功能。Ti3C2 MXene誘導(dǎo)的SM-水凝膠同時(shí)具有大孔結(jié)構(gòu)(200-300微米)、抗機(jī)械疲勞性、抗溶脹和抗菌能力，多種功能的協(xié)同效應(yīng)改善糖尿病傷口愈合 (傷口愈合7天時(shí)，傷口閉合率達(dá)到81%)。該研究提出的通用方法不僅解決了水凝膠在各種介質(zhì)條件下的宏觀/微觀結(jié)構(gòu)、有效性、抗機(jī)械疲勞性和耐久性等基本問題，而且可用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的實(shí)際應(yīng)用。該設(shè)計(jì)策略為下一代生物工程水凝膠的設(shè)計(jì)提供了見解。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202200717

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