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

【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

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