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西京醫(yī)院石小鵬、長安大學(xué)顏錄科 JCR：具有持續(xù)釋放臭氧增強抗菌性能并改善傷口愈合的新型臭氧化油乳液水凝膠
2024-11-26  來源：高分子科技

  抗菌水凝膠廣泛應(yīng)用在藥物載體、組織支架和傷口敷料等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，是生物醫(yī)用材料的研究熱點。臭氧（O3）具有廣譜抗菌活性、抗炎、免疫調(diào)節(jié)、抗缺氧、無殘留等優(yōu)勢，被用于緩解術(shù)后疼痛、控制斑塊和生物膜、加速傷口愈合以及使植入物表面功能化。然而臭氧半衰期短、難以儲存，限制了它在抗菌水凝膠中的直接應(yīng)用。


  西京醫(yī)院石小鵬/長安大學(xué)顏錄科團隊提出一種制備具有持續(xù)釋放O3的新型臭氧化油乳液水凝膠（ozonegel）的簡單方法，采用吐溫-80和蒙脫石（MMT）作為乳化劑，將油水混合物均質(zhì)化為乳液，3-[二甲基-[2-（2-甲基丙-2-烯酰氧基）乙基]氮基]丙烷-1-磺酸鹽（DMAPS）在乳液中光引發(fā)聚合，得到兩性離子PDMAPS乳液水凝膠。在臭氧化油中，大量O3與植物油中的不飽和雙鍵相結(jié)合，當(dāng)臭氧油接觸溫暖的滲出物時，會緩慢分解并產(chǎn)生活性氧（ROS）[臭氧、氧氣和過氧化氫（H2O2）]，賦予凝膠生物活性和傷口治療效果。


圖1. 臭氧油乳液水凝膠制備過程的示意圖


  通過附著在不同材料表面測試PDMAPS-MMT水凝膠的粘合性能。該水凝膠可牢固地粘附在人體皮膚上（圖2a），粘附在兩個載玻片間1 cm2的水凝膠可支撐100 g砝碼（圖2b），并可粘附在多種平坦或彎曲的基材上（圖2c）。以豬皮膚的剪切力模擬臭氧凝膠的粘附強度，ozonegel-0%的剪切強度為32.7 kPa，當(dāng)臭氧油濃度為3%、5%、10%和20%時，剪切強度分別下降到30.8 kPa、25.6 kPa、17.2 kPa和12.9 kPa。通過靜電吸引、氫鍵和其他力的相互作用，臭氧凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的粘合性能，適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（圖2e、2f）。由于可逆離子交聯(lián)，切成兩塊的水凝膠在一段時間后重新連接并恢復(fù)完整性，兩性離子PDMAPS水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)特性（圖2g）。


圖2. 臭氧凝膠粘附性能：a-b）在人體皮膚上的附著照片及承重照片，c）對各種基材的粘附示意圖，d）臭氧凝膠-豬皮膚標(biāo)準(zhǔn)搭接剪切樣條示意圖，e）臭氧凝膠的搭接剪切應(yīng)力曲線，f）原始水凝膠和臭氧凝膠的平均搭接剪切強度，g）臭氧凝膠-10%的自愈合性能


  臭氧釋放能力是評估臭氧凝膠性能的一個重要指標(biāo)（圖3a）。定期收集臭氧凝膠樣品并進行滴定，初始臭氧凝膠-10%樣品中ROS濃度為57.2±6.1 mmol/kg（相當(dāng)于2745 μg O3/mL）。25℃，24 h內(nèi)累計臭氧釋放量達(dá)到27.1%；36℃，24 h內(nèi)由于溶劑擴散和交換增強，釋放速率顯著加快達(dá)到36.9%。不同pH值對臭氧釋放也有影響，在堿性條件下，臭氧釋放速度略快（圖3b)。臭氧凝膠傷口敷料在豬皮膚上進行測試，25℃釋放9.2%的ROS，36℃釋放16.1%（圖3c），0-36 h釋放速率在18.6-77.4 μg O3/mL·h之間，證實在生物環(huán)境中，臭氧和ROS釋放可持續(xù)長達(dá)36 h，足以促進傷口愈合。


  采用瓊脂擴散板法表征臭氧凝膠的抗菌活性（圖4a）。ozonegel-10%和ozonegel-20%對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出很強的抗菌性能。ozongel-10%對大腸桿菌的抗菌率為97.8%，對金黃色葡萄球菌的抗菌率為93.7%（圖4b、4c）。臭氧凝膠-10%釋放臭氧和ROS，因臭氧可以穿透表皮并進入真皮層進而達(dá)到抑菌效果，表明臭氧對深植于真皮層的細(xì)菌、病毒、原生動物和真菌具有廣泛的抗微生物活性，所制備的臭氧油乳液水凝膠有望成為抗菌創(chuàng)面敷料。


圖3. 臭氧釋放和臭氧凝膠的細(xì)胞活力：a）在25℃和36℃下水中ozongel-10%的臭氧釋放曲線，b）在25℃，不同pH值下ozongel-10%的臭氧釋放曲線，c）不同溫度下臭氧凝膠-10%在豬皮上的臭氧釋放曲線，d）臭氧凝膠對L929細(xì)胞增殖的影響（每組n=6）


圖4. 臭氧凝膠抗菌特性：a）負(fù)載不同含量臭氧凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌懸浮液影響的瓊脂平板圖，b）臭氧凝膠對大腸桿菌的相對抗菌率，c）臭氧凝膠對金黃色葡萄球菌的相對抗菌率


  通過在小鼠背部制造全層創(chuàng)面（每組n=6），并用PBS、臭氧凝膠-0%、臭氧凝膠-10%和3M TegadermTM水狀膠體敷料覆蓋傷口，探究臭氧油乳液水凝膠作為新型傷口敷料的治療潛力（圖5a）。第9天時，臭氧凝膠-10%組的傷口面積顯著小于對照組和臭氧凝膠-0%組，已接近完全愈合，以市售3M TegadermTM 敷料作為陽性對照，Ozonegel-10%表現(xiàn)出顯著優(yōu)越的傷口愈合效果（圖5b-d）。證實其具有更強的傷口愈合能力。


圖5. 臭氧凝膠對傷口的愈合性能：a）用凝膠覆蓋小鼠背部全層創(chuàng)面的傷口修復(fù)過程，b）第0、3、6和9天用PBS（對照）、臭氧凝膠-0%、臭氧凝膠-10%和3M TegademTM 覆蓋的傷口愈合示意圖，c）第0、3、6和9天的傷口面積示意圖，d）使用ImageJ軟件計算的每組平均傷口的面積示意圖


  在傷口愈合過程中，炎癥因子激活引發(fā)炎癥，通過免疫熒光分析，在傷口愈合早期、中期和晚期顯示出明顯的TNF-α，ozonegel-0%和ozonegel-10%最初都會增加TNF-α水平，但ozonegel-10%在后期會降低其水平，通過調(diào)節(jié)炎癥因子水平來幫助組織修復(fù)（圖6a、6b）。此外，與對照組相比，ozonegel-0%和ozonegel-10%在愈合的中后期均有效降低了CD68水平，表明它們具有調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞活性的能力（圖6c、6d）。證實了ozonegel-10%對傷口愈合表現(xiàn)出雙重影響，更高效的促進愈合過程并增強組織修復(fù)。


圖6. 免疫組織化學(xué)染色：a）TNF-α免疫組織染色示意圖，b）TNF-α相對表達(dá)情況，c）CD68免疫組織染色示意圖，d）CD68相對表達(dá)情況


  該工作以“Self-Healing Adhesive Hydrogels for Sustained Ozone Release: Enhanced Antibacterial Properties and Improved Wound Healing”為題發(fā)表在《Journal of Controlled Release》上。西京醫(yī)院馬善波博士、長安大學(xué)2020級碩士研究生韓聰慧、陳曦博士為共同第一作者，西京醫(yī)院燒傷科韓夫副主任醫(yī)師、長安大學(xué)顏錄科教授與西京醫(yī)院藥劑科石小鵬副主任藥師為共同通訊作者。該研究工作得到空軍軍醫(yī)大學(xué)、國家自然科學(xué)基金、陜西省重點研發(fā)計劃、與長安大學(xué)中央高校項目等的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2024.10.053

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