蘭大柳明珠/呂少瑜《ACS材料快訊》核鹼基啟發自黏附抗菌水凝膠

2020-12-27 Macromolecule

【前沿背景】

在生物材料科學中，迫切需要開發具有抗菌活性和可複製粘附力的水凝膠傷口敷料。但是，目前的水凝膠傷口敷料要麼使用無機抗菌劑，例如具有劑量依賴性和不令人滿意的生物相容性的銀和金屬氧化物納米顆粒，要麼使用不斷發展的耐藥細菌來加載抗生素。

【科研摘要】

最近，蘭州大學柳明珠/呂少瑜教授團隊報導了以核鹼基為基礎的自粘性和固有的抗菌水凝膠可作為傷口敷料。相關論文Nucleobase-Inspired Self-Adhesive and Inherently Antibacterial Hydrogel for Wound Dressing發表在《ACS Materials Letters》上。該水凝膠由聚（3-二甲基（甲基丙烯醯氧基乙基）丙烷磺酸銨）-共-（甲基丙烯醯基醯胺基腺嘌呤）（PDMAPS-co-PMA-Ade）和殼聚糖製成。DMAPS部分賦予水凝膠以防汙性能，而核鹼基修飾的MA-Ade之間的特殊相互作用提供了與組織表面上相應基團的便捷分子識別。體內皮膚傷口修複測定表明，與對照組相比，經水凝膠處理的小鼠在14天後未顯示出血，更少的炎症和更少的新血管。這一成就提供了在不使用其他抗生素的情況下促進明顯傷口癒合的機會。

【圖文解析】

1.抗菌輔料水凝膠的設計

作者設計了的水凝膠傷口敷料可以有效地粘附在傷口周圍的皮膚上，並促進抗生素治療和傷口癒合（示意圖1）。在水凝膠中利用殼聚糖作為第二網絡來增強機械和殺菌性能。作者還合成了共聚物，其中DMAPS部分提供了防汙性能，而核鹼基修飾的MA-Ade之間的特殊相互作用提供了與組織表面上相應基團的便捷分子識別。眾所周知，核酸DNA和RNA由五個核鹼基組成，即腺嘌呤（A），胞嘧啶（C），鳥嘌呤（G），胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。在嘧啶環中有三個氫鍵供體和受體，而嘌呤的雙環結構形成多個氫鍵相互作用的面。另外，核鹼基由於其芳香結構而可以彼此「 p-堆疊」。因此，MA-Ade可以通過氫鍵和π-π堆積促進水凝膠對組織的粘附。

示意圖1.a）DMAPS和MA-Ade的合成以及PDMAPS-co-PMA-Ade和PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠的製備；（b）用PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠敷料治療的全層皮膚缺陷模型，涉及多種生物學和物理功能

2.流變性

通過振蕩剪切流變學證實了PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠的機械性能有所提高（圖1a）。所有的水凝膠在線性粘彈性區域均表現出彈性行為，其儲能模量（G'）大於損耗模量（G''）。在不存在殼聚糖的情況下，PDMAPS-co-PMA-Ade水凝膠的G'值低於PDM / C水凝膠的G'值，表明用殼聚糖處理可改善機械性能。我們認為，殼聚糖的引入會導致水凝膠中氫鍵的數量增加以及分子鏈段的纏結，這與PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠的Tg較高相比得到了證實。PDMAPS-co-PMA-Ade水凝膠（237.4 vs 232.6°C）（圖1b）。

圖1.（a）G'和G''與PDMAPS-co-PMA-Ade和PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖的水凝膠在57％和76％濃度下的振蕩應變有關。（b）在氮氣氛下，PDMAPS，PDMAPS-co-PMA-Ade和PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠的DSC曲線。

3.粘附性

水凝膠中形成的水合層嚴重阻礙了聚合物與組織的粘附，導致水凝膠塗層從組織上脫落並引起感染。（23）設計了一種包含DMAPS和MA-Ade的共聚物以有效地粘附於組織。假定該水凝膠通過氫鍵，π-π堆積和疏水相互作用促進粘合（圖2a）。可以將兩塊質量為10 g的豬皮粘在一起。此外，水凝膠可很好地貼合在彎曲或筆直的手指上（圖2b）。

圖2.（a）PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠中的相互作用及其功能。（b）PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠的組織粘附特性和柔韌性。

4. 抗菌性

聚合物中的兩性離子PDMAPS部分可以形成水合表面層，這使得可以通過形成高能物理屏障來防止蛋白質吸附。評價細菌粘附以確定水凝膠的抗生物結垢潛力。與在聚丙烯醯胺（PAM）水凝膠上相比，評估了粘附在PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠上的金黃色葡萄球菌或大腸桿菌的相對量。如圖3a清楚所示，PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠上的細菌數量遠少於PAM水凝膠上的細菌數量，表明PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠具有顯著的抗生物汙垢特性。

圖3.（a）粘附在（I，II）PAM和（III，IV）PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠上的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌細菌的顯微鏡圖像。（b）PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠對（I）金黃色葡萄球菌和（II）大腸桿菌的抑制區的攝影圖像。

傷口敷料的抗菌性能對其在自然環境中抵抗微生物侵襲至關重要。為了進一步增強抗菌性能，將殼聚糖引入了PDMAPS-co-PMA-Ade水凝膠。使用抑制區方法研究了PDMAPS-co-PMA-Ade/殼聚糖水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性。在金黃色葡萄球菌和大腸桿菌組的樣品周圍均觀察到抑制區（圖3b），表明PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖水凝膠具有有效的抗菌作用。

5. 生物相容性

在CCk-8分析中，對於PDMAPS-co-PMA-Ade/殼聚糖水凝膠，觀察到微不足道的細胞毒性，表明其生物相容性。將PDMAPS-co-PMA-Ade/殼聚糖水凝膠應用於全層皮膚傷口，以評估體內皮膚傷口修復效果。紗布和PDMAPS-co-PMA-Ade水凝膠用作對照組。在第0、3、7、10和14天為傷口拍照。沒有敷料的空白組在3天後顯示出感染和炎症，並且傷口縮小最小。對小鼠傷口閉合的總體觀察表明，用PDMAPS-co-PMA-Ade和PDMAPS-co-PMA-Ade/殼聚糖水凝膠處理的傷口分別在第14天和第10天顯著減小了傷口大小，而空白組 紗布組在實驗時間內傷口尺寸緩慢減小（圖4a）。通過組織形態學評價分析炎症和血管形成。在第7天，在PDMAPS-co-PMA-Ade/殼聚糖水凝膠組中觀察到的血管比空白組和對照組要多（圖4b），這表明水凝膠組的血管形成高於其他三組。

圖4.PDMAPS-co-PMA-Ade/殼聚糖水凝膠作為全層皮膚缺損的傷口敷料。（a）在第0、3、7、10天，用對照，紗布，PDMAPS-co-PMA-Ade（凝膠1）和PDMAPS-co-PMA-Ade /殼聚糖（凝膠2）水凝膠樣品處理的傷口的照片，14.（b）治療7天和14天後，再生皮膚組織的H＆E組織學分析。

參考文獻：

doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00304

版權聲明：「高分子材料科學」是由專業博士（後）創辦的非贏利性學術公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學的研究進展。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯繫作者修正。商業轉載請聯繫編輯或頂端註明出處。感謝各位關注！

相關焦點

  • 《ACS Nano》持久強,粘合好,自修復,木質素抗菌水凝膠組合催化
    作者公開了用於工程木質素基多功能抗菌水凝膠的包括氧化脫羧和醌-鄰苯二酚氧化還原催化的兩個催化循環的組合（組合催化）。受生物啟發的設計模仿了自然中海洋貽貝採用的鄰苯二酚化學。所得的多功能可持續水凝膠（1）堅固而有彈性，（2）具有強大的抗菌活性，（3）粘附於皮膚組織和各種其他表面，並且（4）能夠自修復。進行了系統的表徵，以充分闡明和理解簡便有效的催化策略和隨後的多功能材料。
  • 《材料視野》綜述:受生物啟發的雙網絡水凝膠
    因此，在合成水凝膠中引入犧牲鍵可以提供各種有吸引力的特性，例如各種應用所需的改進的韌性，機械強度，刺激響應性和回彈力。在這篇綜述中，作者討論了這種生物啟發的DN水凝膠在各個領域的設計，合成和應用，例如圖1中突出顯示的組織工程，軟致動器和電子傳感器。圖1.生物啟發的DN水凝膠的應用潛力概述。
  • 趙雙良教授團隊《ACS AMI》:納米水凝膠在生物膜環境中的「機械...
    與具有高交聯密度和低封裝能力的納米水凝膠容易被膜部分包裹，而低交聯密度和高封裝能力的納米水凝膠更容易滲透到膜中。無論交聯密度如何，納米水凝膠在內化過程中受到「彈性毛細」作用的控制，都會經歷不同程度的結構性形變，即由球形變為橢球形再恢復至球形。
  • 帝國理工學院《ACS Nano》幹細胞與水凝膠相互作用納米級分子定量
    作者使用單細胞原子力光譜法對合成水凝膠上的RGD解除結合力進行了定量，揭示了hMSC的短期結合對RGD濃度敏感。還進行了直接隨機光學重建顯微鏡（dSTORM）來量化整聯蛋白α5β1與生物材料之間的分子相互作用，出乎意料地揭示出，整聯蛋白在水凝膠-細胞界面處的聚集增加與可用的RGD結合位點較少相關。
  • 3D列印高強度殼聚糖水凝膠支架
    近年來，由於其出色的生物相容性，生物活性，生物降解性和無毒性，廣泛存在於蝦蟹等海洋節肢動物的甲殼和昆蟲的甲殼中的天然水凝膠材料--殼聚糖受到了越來越廣泛的關注，被認為是組織工程和再生醫學中的一種較好的材料。
  • 智能可穿戴《ACS Nano》電磁幹擾屏蔽的MXene超薄水凝膠
    【科研摘要】最近，愛爾蘭都柏林聖三一學院Ji Liu 和Valeria Nicolosi教授團隊通過生物礦化啟發的組裝路徑來製造結合了MXene和聚丙烯酸的水凝膠型屏蔽材料。該複合水凝膠顯示出優異的可拉伸性和可回收性，良好的形狀適應性和粘合性，以及快速的自修復能力，證明了極大的應用靈活性和可靠性。
  • 賀曦敏/王健君/朱新遠《Matter》受生物啟發的多功能防凍水凝膠
    相反，不存在界面水的常規純疏水系統主要有效地促進了冰的附著，但沒有促進成核和擴散。這種獨特的材料設計是通過在親水性帶電網絡上接枝具有可調長度的疏水鏈，從而通過調節疏水性和離子特異性的協同作用來調節界面水的性質，這賦予了這些PDMS接枝的聚電解質水凝膠塗層很高的調節冰成核，傳播和附著的能力。非結構化特徵使這些光滑的防凍表面更具環保性，機械堅固性和耐用性。
  • 多特蒙德工業大學:持久抗菌快速溶脹,超級吸水劑互穿網絡水凝膠
    但是，許多生物材料應用都需要使用水凝膠。後者具有獨特的特質，例如減震，低滑動分數和對刺激敏感的腫脹/溶脹，因此在醫學等多個領域都很重要，例如組織工程，衛生應用，人造軟骨，軟骨再生，植入進入皮下組織，角膜修復材料，傷口和手術密封劑，藥物遞送庫，傷口護理材料，人造肌肉和組織修復。
  • 康奈爾大學羅丹《JACS》從凝膠到塑料,生物質DNA轉化為降解材料
    基於相同的反應機理，通過簡單地調節溶劑或交聯引發劑就製備了三種基於生物質-DNA的材料，包括有機凝膠，複合膜和塑料（圖1J–N）。值得注意的是，作者採用了包括細菌和真核生物在內的幾乎所有生活域的生物質-DNA，跨越了包括真細菌在內的至少三個種類（藍-綠藻，圖1B，C；大腸桿菌，圖1D，E）， 植物屆（洋蔥，圖1F，G）和動物屆（鮭魚睪丸，圖1H，I）。
  • 《ACS Nano》綜述:抗菌、抗病毒納米材料和塗層的現狀和未來展望
    但是，先前報導的許多抗菌塗料都集中在抗菌能力上，對抗病毒表面和塗層的關注卻很少。 近日，加拿大麥克馬斯特大學Leyla Soleymani和Tohid F. Didar等人以抗菌素研究為出發點，對抗病毒材料和表面研究的現狀進行全面總結。綜述首先對金屬和無機材料進行全面概括，重點是具有抗病毒特性的納米材料。
  • 綜述《材料快訊》分子檢測和生物傳感的響應型水凝膠自下而上工程
    由於在分子水平和生物相容性方面具有自下而上設計的附加優勢，使用水凝膠傳感器進行分子檢測通常很容易執行，並且水凝膠可以與電子設備集成在一起以提高檢測靈敏度，或者與生物醫學設備集成用於體外和體內學習。新加坡材料研究與工程學院Jason Y. C.
  • 上普學術|貽貝啟發的天然雙網絡水凝膠及在生物3D列印中的應用
    受貽貝啟發的水凝膠近年來，水凝膠的研究得到了迅速發展。但與一些天然的凝膠類生物組織相比，例如肌肉，軟骨，血管等，目前合成的天然高分子水凝膠在機械性能以及可調控的物化性質方面仍然存在不足。生物啟發類的設計作為一種更高層次的材料結構及功能設計方法目前得到了越來越多的關注。
  • 南開大學郭瑋煒《先進材料》DNA水/微凝膠在生物傳感和醫學的應用
    【圖文解析】1引言介紹自1980年代以來，由於基於Watson-Crick鹼基對的DNA鏈之間可預測和可編程的序列特異性雜交，DNA已被用作構建從納米尺度到本體機制的人工結構的有前途的材料。諸如Y形DNA或DNA Holliday接頭等分支DNA結構的自組裝以及DNA共聚物是通過簡單的DNA雜交反應或動態DNA反應形成交聯的DNA水凝膠網絡來構建DNA水凝膠的簡便方法，例如雜交鏈反應，或在酶的輔助下，例如滾環擴增（RCA）和聚合酶鏈反應。
  • 中科院化學所《Adv Mater》:強韌水凝膠材料取得重要進展!
    水凝膠類似於生物軟組織，具有獨特的微環境（高含水量和通透性）和自適應的特點，在藥物緩釋、傷口敷料、組織工程及柔性電子器件等領域展現出巨大的應用潛力。然而，傳統水凝膠的力學性能和抗溶脹能力通常很差，導致其實際應用受限。
  • 《材料今天物理》水凝膠與軟機器人
    為了促進該領域的進步，需要符合標準的材料。水凝膠具有出色的特性，包括高拉伸性，透明性，離子傳導性和生物相容性，因此有望成為軟機器人的順應材料。此外，水凝膠基於對刺激的獨特響應性，為軟機器人提供了創新的功能。韓國首爾國立大學的J.-Y. Sun團隊討論了水凝膠軟機器人的獨特功能，系統介紹了其基本工作機制及應用，涵蓋基於水凝膠的軟機器人的所有組件，包括致動器，傳感器，通信器，電源和計算電路。
  • 水凝膠「新姿態」——智能螢光水凝膠
    其實，這些吃的、用的材料都是由水凝膠構成的。 圖1 生活中常見的水凝膠製品：A 果凍，B 龜苓膏，C 隱形眼鏡，D 水凝膠敷料。（圖片來自網絡）什麼是水凝膠？顧名思義，水凝膠是由水和凝膠骨架構成的。China Mater. 2019, 62, 831）基於萘醯亞胺螢光基團的pH響應性，科研人員還構建了一種刺激響應性的高分子水凝膠複合材料（如圖4所示）。該材料不僅可以用於水環境pH的檢測，還可以通過離子印染的方法，實現了水凝膠表面螢光強度的時空調控。
  • 《大分子》自修復加工的離子導電超分子水凝膠,用於柔性電子設備
    【科研摘要】導電，自修復和粘合水凝膠在可穿戴電子設備中具有重要意義。導電自修復水凝膠最重要的性能是在室溫下有效恢復電氣和機械性能，並具有持久的耐久性。水凝膠顯示出優異的拉伸性和出色的離子傳導性。動態氫鍵以及離子和金屬配位相互作用的可逆性使水凝膠具有自修復能力，強附著力和快速的電性能恢復能力。事實證明，Fe3+濃度的變化會影響水凝膠可加工性的時間窗口，並允許調整水凝膠的機械性能和離子導電性能。發現用於可加工的離子傳導水凝膠的最佳Fe 3+離子濃度為2重量％。在反覆拉伸過程中，水凝膠的電阻僅顯示很小的變化。
  • 龔建萍《AFM》藤壺蛋白啟發,牢固持久、可循環水下凝膠黏附劑
    帶狀膠粘劑是固體材料可以直接粘附在水下的基材上。膠粘型膠粘劑的粘合強度通常很強（> 100 kPa），但固化時間較長（數小時至數天），因而無法重複使用。帶狀膠粘劑是即時且可重複使用的，但由於水的水合層削弱了界面處的非共價相互作用，其粘合強度通常較弱（<50 kPa）。開發在水中牢固、即時、可重複和持久粘合的粘合劑仍然是粘合科學和工程學的一個挑戰。
  • 《先進材料》軟機器人3D列印材料最新進展,水凝膠大旗扛扛!
    最近，以色列耶路撒冷希伯來大學Shlomo Magdassi教授團隊總結了用於軟機器人3D列印材料領域的最新進展，包括高性能的柔性和可拉伸材料，水凝膠，自修復材料和形狀記憶聚合物，以及全印刷機器人的製造（多-物料印刷，嵌入式電子產品，無束縛和自主機器人技術）。
  • 阿爾伯塔曾宏波院士《材料化學》似生物組織可自我保護柔性水凝膠
    當前的應變增強材料的設計策略主要依賴於使用具有螺旋結構的半柔性聚異氰肽（PIC）束或通過膠凝劑分子的自組裝製備的半柔性纖維，其具有固有的應變增強特性。但是，複雜的準備方法和數量有限的候選人限制了他們的應用。考慮到合成聚合物的各種合成途徑和可調功能，非常需要使用柔性合成聚合物來開發用於模仿生物組織的新型功能性水凝膠。然而，在合成的柔性水凝膠中很少觀察到應變強化行為，相反，當變形時，它們通常趨於軟化。