【科研摘要】
很少有生物力學活性和生物化學功能的水凝膠傷口敷料的雙管齊下的策略，它可以幫助傷口閉合併具有促進傷口癒合的多種功能。最近，西安交通大學郭保林教授團隊設計了一系列基於季銨化殼聚糖（QCS），聚多巴胺塗層的還原氧化石墨烯（rGO-PDA）和聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAm）的生物力學活性的可注射自愈水凝膠，以促進多功能傷口敷料的發展。傷口閉合和傷口癒合。這些具有生物力學活性的傷口敷料具有出色的熱響應性自收縮和組織粘附特性。它們牢固地粘附在皮膚上，並通過自我收縮主動收縮傷口，從而幫助傷口閉合。而且，這些水凝膠顯示出有益於傷口癒合的生化多功能，包括良好的自愈性能，溫度依賴性藥物釋放能力，抗感染，抗氧化和導電性。體內全層皮膚缺損模型表明，水凝膠敷料顯著促進傷口閉合並加速傷口收縮，並以更高的肉芽組織厚度，膠原蛋白分布和增強的血管形成促進傷口癒合過程。總之，具有生物力學活性的可自我修復的導電膠水凝膠通過輔助傷口閉合和生化功能促進了傷口癒合，通過將生物力學和生化功能結合在一起，為傷口處理開闢了雙管齊下的策略方法。
【圖文解析】
1.QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝膠的合成，表徵與應用
QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝膠的合成過程如圖1a–c所示。首先，合成了具有良好抗菌活性的季銨化殼聚糖（QCS）。其次，在氧化和鹼性條件下，由多巴胺預聚合聚多巴胺（PDA），通過PDA溶液將氧化石墨烯（GO）還原為還原GO（rGO），然後將PDA塗覆在rGO的表面上以形成rGO-PDA。然後通過水凝膠的組織粘附強度和熱響應自收縮能力篩選出最佳PNIPAm含量。最後，將QCS，rGO-PDA和NIPAm單體完全混合，並通過自由基聚合反應，通過添加引發劑APS / TEMED和交聯劑BIS合成QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝膠。
圖1.（a）QCS的合成路線。（b）rGO-PDA的合成路線。（c）QCS / rGO-PDA / PNIPAm水凝膠製備和水凝膠良好特性的示意圖：（1）導電性，（2）組織粘附，（3）抗菌活性，（4）自修復和（5）熱響應自我收縮。（d）通過熱響應性自收縮輔助傷口閉合的水凝膠的示意圖。
如圖1c所示，QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝膠顯示出多功能特性：（1）rGO-PDA交織形成電子通路，賦予水凝膠良好的導電性；（2）通過PDA鏈上的游離兒茶酚基團和QCS帶正電荷的氨基來提供組織粘附力；（3）QCS和rGO-PDA的光熱性能賦予其抗菌性能；（4）PDA鏈上的游離鄰苯二酚基團之間的可逆非共價鍵以及PDA鏈與QCS之間的動態席夫鹼鍵可賦予水凝膠良好的自愈特性；（5）PNIPAm引入了水凝膠的熱響應自收縮能力。QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝膠的上述優異性能使其成為傷口敷料的有希望的候選者，如圖1d所示。
3.3水凝膠的自修復，流變性，抗氧化能力和電導率
表面傷口敷料經常承受外力引起的變形，磨損甚至損壞。自愈特性可以延長傷口敷料的使用壽命。因此，通過流變恢復測試評價水凝膠的自修復能力。首先，評估了QCS / rGO4-PDA / PNIPAm水凝膠的應變幅度掃描（圖3a）。G'（儲能模量）曲線和G''（損耗模量）曲線在611％的點處相交，這意味著當應變大於611％時，水凝膠結構被完全破壞。隨後，每個步驟以70 s從1％到1000％的連續應變循環變化用於評估水凝膠的流變恢復行為。如圖3b所示，當遇到較高的應變效應（1000％）時，水凝膠結構崩潰（G''> G'），而在施加較低的應變（1％）之後，水凝膠立即恢復其原始結構（G' > G''），其G'和G''值與原始水凝膠幾乎相同，這表明QCS/rGO4-PDA/PNIPAm水凝膠具有出色的自愈能力。此外，還評估了QCS/rGO4-PDA/PNIPAm水凝膠的宏觀自我修復能力。如圖3c所示，首先將圓柱狀水凝膠切成四塊；然後將其切成四塊。然後將四片水凝膠拼接在一起，並在25°C的恆溫箱中放置2小時，而無需外部幹預。最終，所有碎片都通過自我修復形成了完整的水凝膠，可以通過一端提起已修復的水凝膠。總之，流變恢復和宏觀自我修複測試表明水凝膠具有良好的自我修復能力和較高的自我修復效率，這歸因於游離兒茶酚基團在PDA鏈中的非共價相互作用以及陽離子-π和動態水凝膠中QCS和PDA鏈之間的共價席夫鹼網絡。
圖3. 水凝膠的自愈能力。（a）在25°C的固定角頻率（10 rad / s）下的應變幅度掃描測試（γ= 0.1–2000％）。（b）在25°C下以固定角頻率（10 rad / s）在每個應變間隔內以70 s的交替從小應變（γ= 1.0％）到隨後的大應變（γ= 2000％）的逐步應變掃描試驗。（c）顯示水凝膠的自愈性能。從上至下：圓柱狀水凝膠，將圓柱狀水凝膠切成4份，並在25°C孵育2小時後癒合。（d）所有水凝膠的流變行為：（A）QCS/rGO1-PDA/PNIPAm；（B）QCS / rGO2-PDA/PNIPAm；（C）QCS / rGO3-PDA/PNIPAm；（D）QCS/rGO4-PDA/PNIPAm。（e）所有水凝膠的抗氧化活性。（f）溼態和（g）乾燥態下所有水凝膠的電導率。
在評估了水凝膠的自愈特性之後，水凝膠的流變性能也是其實際生物醫學應用的重要參數。如圖3d所示，隨著水凝膠中rGO-PDA濃度的增加，由於增加的交聯密度，所有水凝膠的儲能模量從14、25、66逐漸增加到100 Pa。這一結果與以前的SEM觀察結果一致。在傷口癒合過程中，傷口部位大量的自由基將通過酶失活，脂質過氧化和氧化應激引起的DNA斷裂而阻礙傷口癒合。PDA具有出色的抗氧化性能，可以清除自由基，減少氧化應激所造成的損害。因此，通過DPPH清除實驗評估了QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝膠的抗氧化能力。QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝膠的DPPH清除自由基的能力隨濃度的增加而增強，而5 mg/mL的水凝膠幾乎完全（97.8％）去除了DPPH（圖3e）。總體而言，具有良好抗氧化能力的QCS / rGO-PDA / PNIPAm水凝膠具有作為傷口敷料的巨大潛力。導電生物材料是組織工程研究的熱點。我們以前的研究還表明，導電材料對傷口癒合有積極作用。此外，研究表明rGO-PDA具有良好的導電性。因此，通過四探針法（圖3f和3g）測量了水凝膠在溼態和幹態下的電導率。
圖4.所有水凝膠的固有和光熱聯合抗菌活性。水凝膠對（a）大腸桿菌和（b）金黃色葡萄球菌的固有表面抗菌活性。（c）表面抗菌實驗中存活細菌的照片。（d）水凝膠的ΔT–1.0 W/cm–2 NIR照射時間曲線。QCS/rGO2-PDA/PNIPAm水凝膠的光熱作用賦予的抗菌活性對（e）大腸桿菌和（f）金黃色葡萄球菌。
3.4水凝膠的固有抗菌活性，光熱性能和近紅外（NIR）輔助抗菌能力
細菌傷口感染將導致極其嚴重的後果，例如傷口癒合緩慢，甚至致命的敗血病。因此，理想的傷口敷料應具有固有的抗菌活性，可以保護傷口免受外部細菌感染並可以殺死傷口部位的細菌。在這項工作中，大腸桿菌（革蘭氏陰性細菌）和金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性細菌）的細菌被用來評估所有水凝膠的固有抗菌能力。與空白組（PBS）相比，所有水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率均> 85％（圖4a和4b），表明其固有的良好的抗菌能力。以上結果與圖4c中的存活細菌照片一致。因此，所有水凝膠均顯示出良好的固有抗菌活性，這可能是由於細菌膜被QCS中的季銨基團和帶正電荷的氨基破壞了。rGO和PDA的水凝膠成分均具有出色的光熱性能。另外，基於水凝膠的固有抗菌能力，由光熱性質賦予的NIR輔助的抗菌能力可以進一步增強水凝膠的抗菌能力。因此，評估了所有水凝膠的光熱性能和NIR輔助的抗菌能力。在1.0 W / cm2 NIR輻照10分鐘後，隨著rGO-PDA濃度的增加，所有水凝膠的溫度分別升高9.6、10.8、12.1和12.6°C（圖4d），這表明引入rGO-PDA具有良好的效果。對水凝膠的光熱性質。金黃色葡萄球菌和大腸桿菌用於進一步評估水凝膠的NIR輔助抗菌能力。NCS輻照10分鐘後，QCS / rGO3-PDA / PNIPAm水凝膠完全殺死了100％的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌（圖4e和4f），表明由水凝膠的光熱特性引起的溫度升高有效地殺死了兩者細菌，證明了NIR輔助水凝膠具有良好的抗菌能力。總之，作為傷口敷料，水凝膠的固有和光熱特性相結合可提供出色的抗菌活性，並可在傷口癒合期間防止傷口感染。
3.7熱響應自收縮輔助傷口閉合，機械強度，組織粘附特性和水凝膠的水蒸氣透過率
成年傷口癒合緩慢且容易留下疤痕，而人類胚胎皮膚傷口可以迅速而完美地癒合而不會形成疤痕，這是因為通過快速組裝的肌動蛋白電纜的收縮（如拉繩袋方式）來閉合胚胎表皮中的傷口間隙，如圖所示圖6a。受人類胚胎傷口收縮能力的啟發，採用具有出色熱響應自收縮性能的PNIPAm來影響水凝膠的自收縮能力，而水凝膠的熱響應自收縮性能是生物力學方法幫助成人閉合傷口的基礎（圖6b）。因此，對QCS / rGO3-PDA / PNIPAm水凝膠的熱響應自收縮能力進行了評估，如圖6b所示。將水凝膠在37°C下放置20分鐘後，水凝膠會明顯收縮，在60分鐘後，水凝膠收縮至不到其原始面積的一半。此外，還確定了收縮期間水凝膠的面積，並將PNIPAm水凝膠用作對照（圖6c）。
圖6.（a）生物力學活性水凝膠傷口敷料的設計思路和應用前景示意圖。（b）QCS / rGO3-PDA / PNIPAm水凝膠的熱響應自收縮圖像。（c）QCS / rGO3-PDA / PNIPAm和PNIPAm水凝膠的熱響應自收縮。（d）粘合強度試驗的照片。比例尺：10毫米。（e）QCS / rGO3-PDA / PNIPAm和PNIPAm水凝膠的粘合強度曲線。（f）QCS / rGO3-PDA / PNIPAm水凝膠的展示促進了小鼠的傷口閉合，其中未治療的傷口為空白組。比例尺：5毫米。（g）傷口閉合試驗的傷口面積統計。（h）水凝膠熱響應性自收縮促進傷口閉合的方案：紅線，PNIPAm；黑色薄片，rGO-PDA；綠色接觸表面，組織粘連。
3.8 水凝膠體內傷口癒合過程中的傷口收縮
經過上述評估以協助水凝膠傷口閉合後，採用體內全層皮膚缺損模型進一步評估QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝膠和QCS/rGO3-PDA/PNIPAm促進傷口閉合和癒合的能力 加載Doxy（QCS/rGO3-PDA/PNIPAm-Doxy）。如圖7a和7b所示，在第3天，第7天和第14天，從對照組（Tegaderm Film），QCS/PDA/PNIPAm水凝膠，QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝膠，在整個傷口癒合期間使用QCS/rGO3-PDA/PNIPAm-Doxy水凝膠。
圖7.（a）Tegaderm薄膜敷料（對照），QCS/PDA/PNIPAm，QCS/rGO3-PDA/PNIPAm和QCS/rGO3-PDA在第3天，第7天和第14天傷口區域的照片/PNIPAm-Doxy，以及每種治療在14天內傷口床關閉的痕跡。（紅色箭頭）由水凝膠輔助傷口閉合引起的皮膚收縮痕跡。（b）每個組的傷口收縮。（c）通過確定羥脯氨酸來確定所有組中的膠原蛋白量。（d）在第7天統計不同處理的肉芽組織厚度。（e）第7天用於商業薄膜敷料（Tegaderm），QCS/PDA/PNIPAm水凝膠，QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝膠和QCS/rGO3-PDA/PNIPAm-Doxy水凝膠的肉芽組織厚度
參考文獻：
doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02823
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