向細菌感染說「不」!深圳大學研發出加速傷口癒合的超疏液ZIF-8水凝膠敷料

2021-01-20 高分子科學前沿

在臨床中，細菌感染不僅可能使傷口無法癒合，嚴重時甚至導致組織損傷、死亡及增加醫療費用。傷口敷料由於經濟、簡便、實用，是防止細菌感染的首要選擇。近年來，各種傷口敷料在臨床中得到應用，親水性傷口敷料可將抗菌劑釋放到傷口滲出液中，但可能導致傷口過度出水，嚴重時甚至損害組織；疏水性傷口敷料可阻止細菌粘附和繁殖並消除過度出水的問題，但由於大多數殺菌活性成分都是水溶性，因而不能有效地包裹和釋放殺菌劑。因此，亟需製造一種既可以防止細菌粘附，又能夠有效釋放殺菌成分的傷口敷料。近期，深圳大學孔湉湉副教授、劉洲副研究員等通過微流控乳液模板法製備了一種由金屬有機骨架（MOFs）複合水凝膠製成的超疏液傷口敷料。不僅能夠減少細菌的粘附，還可以將抗菌成分包裹並釋放到傷口處；通過對感染的全層皮膚缺損大鼠的體內研究表明，該敷料能夠促進血管生成和膠原蛋白沉積從而加速傷口癒合，表現出了對慢性傷口的治癒作用，這在臨床中具有極大的潛力。如圖1所示，研究人員使用水包油乳液模板法，採用道康寧749表面活性劑來穩定聚乙烯醇（PVA）水溶液中的矽油液滴，並將ZIF-8納米顆粒懸浮在水相中；然後將得到水包油乳液收集在培養皿中，油滴逐漸緊密地堆積成六邊形結構；當水被蒸發後，PVA與嵌入的ZIF-8納米顆粒被固化；最後去除油滴，即可得到乾燥多孔的ZIF-8 @ PVA水凝膠膜。超疏液（omniphobic）材料，號稱「憎惡一切」。從圖2可以看出，研究人員所製備的多孔ZIF-8 @ PVA水凝膠膜不僅表現出120°水接觸角的高疏水性，而且表現出了優異的超疏液性，即對多種溶液均表現出了較高的接觸角，如血液、細菌懸液、細胞懸液、膠原蛋白溶液及橄欖油。圖2. ZIF-8 @ PVA水凝膠膜的全疏性表徵臨床治療過程中，傷口惡化往往來源於細菌的感染，這嚴重阻礙了傷口的癒合。研究人員採用傷口常見的大腸桿菌（E. coli）測試ZIF-8 @ PVA水凝膠膜的抗菌能力，結果如圖3所示，500 µg mL-1ZIF-8 @ PVA敷料的大腸桿菌懸浮液接觸角明顯高於其他敷料，同時表面的菌落數也明顯減少。表明研究人員所製備的多孔水凝膠膜具有優異的抗菌性能。除了防止細菌粘附外，傷口敷料還應有助於殺死傷口中的病原體。由於ZIF-8可以消除對傷口有害的微生物和病原體，圖4c顯示孵育24小時後，大腸桿菌的抑菌率隨ZIF-8濃度增加而升高，當濃度達到500 µg mL-1時，99.3％的微生物死亡且沒有菌落。證實了該ZIF-8 @ PVA水凝膠可有效防止細菌粘附並殺死有害的病原體。隨後，研究人員為了深入了解該水凝膠膜的殺菌機理，表徵了ZIF-8鋅離子（Zn2+）的釋放動力學。結果如圖4b所示，從敷料中釋放的Zn2+量遠低於人體血液中的Zn2+濃度，表明敷料中的鋅離子無毒，而且少量的Zn2+會激活細胞質中的超氧化物歧化酶，有助於減輕氧自由基對細胞的損害。研究人員使用受大腸桿菌感染的全層皮膚缺損大鼠評估了ZIF-8 @ PVA水凝膠在體內的傷口癒合性能。結果如圖5所示，500 µg mL-1 的ZIF-8@ PVA敷料處理的傷口在11天後幾乎完全癒合，治癒率高達89.6％，表明500 µg mL-1的ZIF-8 @ PVA多孔敷料可有效地促進傷口癒合，這主要歸因於其優異的細胞相容性以及鋅離子的持續釋放，可有效防止感染並誘導血管生成和細胞外基質再生。在本篇文章中，研究人員通過微流體乳液模板法，製造了用於慢性傷口癒合的全疏性ZIF-8 @ PVA水凝膠膜。可顯著減少細菌汙染物的附著，並且能夠通過持續釋放鋅離子以殺死細菌。同時該水凝膠膜具有優異的細胞相容性，可在感染的全層皮膚缺損大鼠模型中降低炎症，促進傷口癒合和血管生成。我們相信，研究人員所製備的這種ZIF-8 @ PVA水凝膠膜將在慢性傷口的治療上得到廣泛應用，有望改善臨床中傷口細菌感染的現狀！https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909389

來源：高分子科學前沿

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