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西安交大郭保林教授團(tuán)隊(duì) Nat. Protoc.:在用于組織修復(fù)的物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠制備方法上取得新進(jìn)展
2023-12-03  來源:高分子科技

  傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程,多種因素都會引起愈合過程的中斷并形成慢性傷口,因此要求理想的傷口敷料具有合適的機(jī)械性能、自愈性能、粘合能力、抗菌特性以及按需移除等多種特性。而過去十年中報(bào)道的功能單一的水凝膠敷料難以滿足復(fù)雜交錯(cuò)的愈合需求。2017年,西安交通大學(xué)郭保林教授團(tuán)隊(duì)提出了同時(shí)具備多種可調(diào)功能的智能水凝膠概念,并基于前期經(jīng)驗(yàn)制備了一系列單網(wǎng)絡(luò)多功能水凝膠傷口敷料。但單網(wǎng)絡(luò)水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度不足以應(yīng)對具有復(fù)雜運(yùn)動需求的傷口,因此開發(fā)具有更高機(jī)械韌性的水凝膠敷料是傷口敷料發(fā)展的重要研究方向。


  受龔劍萍等人報(bào)道的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠策略的啟發(fā),郭保林教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的通用制備方法,克服了單網(wǎng)絡(luò)水凝膠機(jī)械強(qiáng)度不足的缺點(diǎn),并拓展了其作為傷口愈合敷料、生物粘合劑和止血劑的具體應(yīng)用。此外,還提供了一些具體的表征方法來驗(yàn)證物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在各種應(yīng)用類型中所需具備的性能。上述工作以“Physical dynamic double-network hydrogels as dressings to facilitate tissue repair”為題,在自然旗下子刊《Nature Protocols》上發(fā)表。文章通訊作者為西安交通大學(xué)郭保林教授。


本文亮點(diǎn)

  1.該文章將脲基嘧啶酮的多重氫鍵與Fe3+和鄰苯二酚之間的金屬配位相互作用結(jié)合,利用兩種物理相互作用開發(fā)了具有較高機(jī)械強(qiáng)度和動態(tài)性能的雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)快速自愈水凝膠的制備新方法。


  2.物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有快速的自愈特性、高機(jī)械強(qiáng)度,并且可以根據(jù)溫度、pH值和近紅外光照等條件進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)按需移除。當(dāng)用作敷料時(shí),水凝膠可促進(jìn)體內(nèi)組織修復(fù)。


  文章介紹了物理雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的逐步合成,其中脲基嘧啶酮改性明膠(GTU)的氫鍵、Fe3+與聚(甘油癸二酸酯)--聚乙二醇-共聚-鄰苯二酚(PEGSD)之間的配位反應(yīng)為水凝膠提供了自愈合、pH響應(yīng)、組織粘附、抗氧化、光熱和抗菌特性,并且可以實(shí)現(xiàn)按需移除。然后解釋了如何對用作傷口敷料的水凝膠進(jìn)行物理、化學(xué)和生物學(xué)表征,還概述了如何在體內(nèi)使用雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠作為傷口敷料或止血劑。該雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠也具有應(yīng)用于其他多種應(yīng)用的潛力,例如組織工程支架、細(xì)胞/藥物輸送系統(tǒng)或用于監(jiān)測生理和病理參數(shù)的柔性可穿戴設(shè)備等。


Ⅰ 物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的理化性質(zhì)


  通過對PEGSDGTU聚合物進(jìn)行了核磁共振氫譜、紅外光譜及紫外可見光譜的表征,證明聚合物的成功合成(圖2)。物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有良好的壓縮和拉伸性能,并呈現(xiàn)出由不同交聯(lián)密度導(dǎo)致的孔隙率以及溶脹行為的不同(圖3)。 


1. PEGSD/GTU水凝膠制備示意圖。a,b, PEGSD預(yù)聚物的合成。c, UPy-HDI的合成。d, GTU的合成。e, PEGSD/GTU水凝膠的制備,以及水凝膠網(wǎng)絡(luò)中物理雙動態(tài)交聯(lián)示意圖。 


2. 物理雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的性質(zhì)。a, PEGSD2/GTU5.0水凝膠圖片。b, PEGSD2/GTU5.0水凝膠的壓縮狀態(tài)。c, PEGSD2/GTU5.0水凝膠的拉伸狀態(tài)。d, PEGSD2、PEGSD2/GT、PEGSD3/GTU2.5PEGSD2/GTU5.0、PEGSD2/GTU7.5水凝膠溶脹前后的SEM圖像,比例尺,300μme, 不同水凝膠在PBS中達(dá)到溶脹平衡時(shí)的溶脹率。f,通過16G針頭注射PEGSD2/GTU5.0水凝膠的圖像。g,“XJTU”紋理,由16G針頭注射的水凝膠書寫。


  物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的可注射和自愈合行為有利于對傷口形狀以及復(fù)雜運(yùn)動的適應(yīng),且在外力破壞的情況下可延長其使用壽命。由于凝膠的兩種物理動態(tài)網(wǎng)絡(luò)都能在水凝膠變形過程中參與能量耗散,并通過可逆鍵締合-解離機(jī)制實(shí)現(xiàn)良好的宏觀和微觀自愈合性能(圖3)。 


3. PEGSD2/GTU5.0水凝膠的自愈合行為。a, PEGSD2/GTU5.0水凝膠在室溫下切割并愈合在一起,愈合后的水凝膠具有良好的粘附性能和機(jī)械強(qiáng)度,可承受6g的離心管。b, PEGSD2/GUT5.0水凝膠的熱觸發(fā)愈合行為。在37℃下,水凝膠在12分鐘內(nèi)愈合。c, 近紅外照射觸發(fā)的水凝膠愈合行為,在45s內(nèi)愈合。d,水凝膠在37℃下的儲存模量和損失模量。e, 水凝膠在流變性能溫度掃描試驗(yàn)中的儲存模量和損失模量。f, PEGSD2/GUT5.0水凝膠在應(yīng)變振幅掃描下(0.1% - 1000%)的儲存模量和損失模量。g, PEGSD2/GTU5.0水凝膠的連續(xù)階躍應(yīng)變測試結(jié)果。高應(yīng)變?yōu)?/span>250%,低應(yīng)變?yōu)?/span>1%。比例尺,1厘米。


Ⅱ 物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的光熱抗菌性能評估


  抗菌特性對組織的修復(fù)至關(guān)重要。由于鄰苯二酚與Fe3?的配位作用,該凝膠表現(xiàn)出良好的光熱抗菌特性(圖5)。 


4. 水凝膠光熱抗菌結(jié)果。a, 光強(qiáng)為1.4 W/cm2時(shí)水凝膠和水凝膠前驅(qū)體共聚物溶液的溫度變化。b, 光強(qiáng)為0.61.42.3 W/cm2時(shí)PEGSD2/GTU5.0?T-NIR輻照時(shí)間曲線。c, 10wt%的明膠溶液、10wt% GTU5.0溶液、15wt% PEGSD2溶液、PEGSD2水凝膠、PEGSD2/GT水凝膠和PEGSD2/GTU5.0水凝膠在光強(qiáng)度為1.4 W/cm2的近紅外照射10分鐘后的熱量圖(i-vi)PEGSD2/GTU5.0水凝膠在光強(qiáng)度為0.6 W/cm2(vii)2.3 W/cm2(viii)的熱量圖。d, e, PEGSD2/GTU5.0PBS組暴露于近紅外光照(1.4 W/cm2)不同時(shí)間后對大腸桿菌(d)和金黃色葡萄球菌(e)的殺菌效果-照射時(shí)間曲線。f, PEGSD2/GTU5.0(iiiv)PBS(iiii)組分別暴露在近紅外光照射(1.4 W/cm2)0、13、510分鐘后存活的大腸桿菌(iii)和金黃色葡萄球菌(iiiiv)的照片。


Ⅲ 物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠用作傷口敷料的潛力


  物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠良好的粘附特性可以更好地密封傷口(圖5a, b),而其在近紅外光熱和pH響應(yīng)下展現(xiàn)出的可移除特性有利于水凝膠敷料的按需無創(chuàng)及無痛移除(圖5c, d)。良好的抗氧化性能(圖5a, b)及細(xì)胞相容性(圖7c)更加有利于傷口的愈合進(jìn)程。 


5. 水凝膠的抗氧化和按需移除。a, 不同濃度水凝膠對穩(wěn)定自由基DPPH?的清除效率。**P<0.01,***P<0.001。b, 空白、156μg/mL GTU5.0和濃度為39156 μg/mL的水凝膠分散液的DPPH?紫外可見光譜。c, 近紅外光照射下PEGSD2/ GTU5.0水凝膠的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變。d, PEGSD2/GTU5.0水凝膠在37°C45°C2%醋酸溶液中浸泡1 min、5 min、10 min、15 min20 min30 min的照片。 


6. 水凝膠的組織粘附和生物相容性。a, 水凝膠在塑料管(14 g)、玻璃管(54 g)和金屬重物(200 g)上的粘附試驗(yàn)照片。b, 水凝膠在豬皮上的粘附強(qiáng)度。c, 不同水凝膠處理24 h后,用Alamar blue法測定細(xì)胞活力。TCP為未經(jīng)水凝膠處理的對照組。


Ⅳ 物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠用做傷口愈合敷料、組織粘合劑和止血劑的評估


  物理動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠表現(xiàn)出良好的傷口愈合促進(jìn)效果(圖7),有利于皮膚傷口閉合及愈合(圖8),并能夠有效降低兔耳股動脈的出血時(shí)間和出血量(圖9)。 


7. 物理雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠用于傷口愈合。a, 每個(gè)水凝膠組515天小鼠傷口愈合的代表性照片。b, 不同組在不同天數(shù)的傷口收縮。c, 不同組在第15天的再生皮膚創(chuàng)面的組織形態(tài)學(xué)評價(jià)。*P<0.05。


8. 物理雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠用于組織粘附。a, 術(shù)后大鼠切口傷口代表性照片。b,處理14天后愈合皮膚的相對抗拉強(qiáng)度。c, H&E染色代表性圖片。


9. 水凝膠止血劑在兔耳動脈出血模型中的止血效果。a, b, 兔耳動脈出血模型中的出血量(a)和止血時(shí)間(b)


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41596-023-00878-9

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