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皮膚是覆蓋在人體表面的多層器官，具有防御機(jī)體細(xì)菌攻擊、防止機(jī)體脫水、感受外界溫度等功能。然而，皮膚容易受到多種因素的傷害，如碎玻璃和刀具。一旦皮膚受到損傷，通常需要傷口敷料來實現(xiàn)快速閉合和加速傷口愈合。

由于成本低和良好的止血性能，紗布是最常用的傷口敷料。不幸的是，在更換紗布的過程中，紗布經(jīng)常會對受傷的傷口造成嚴(yán)重的二次傷害，這是因為新生長的組織被紗布緊緊粘附。此外，研究表明潮濕的愈合環(huán)境有利于內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和上皮細(xì)胞的遷移和增殖，而傳統(tǒng)紗布提供干燥的愈合環(huán)境，這不利于傷口愈合。作為一種新型傷口敷料, 粘附性水凝膠已被廣泛研究。然而, 由于易失水和敷料更換時二次損傷的問題, 粘附水凝膠敷料的臨床應(yīng)用仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

來自中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的張雅潔、王金娥和來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的裴仁軍團(tuán)隊合作設(shè)計了一種基于雙鍵化絲素蛋白、單寧酸和聚氨酯二丙烯酸酯的具有保水性能和可撕斷性能的粘附水凝膠敷料。通過復(fù)合具有大量兒茶酚基團(tuán)的單寧酸, 使得水凝膠具有增強(qiáng)的機(jī)械性能、良好的組織粘附性能、止血性能以及生物相容性能。隨后將疏水性的聚氨酯二丙烯酸酯涂層聚合在水凝膠表面, 該涂層的存在可以使水凝膠長時間保持高含水量。此外, 由于該水凝膠的粘附能高于斷裂能, 其在剝離時可以被撕斷, 并最大程度減小對傷口部位的影響. 動物實驗結(jié)果表明, 這種具有粘附止血性能的水凝膠可以通過提供長久的濕性愈合環(huán)境和無二次損傷的換料來加速傷口愈合。 這些結(jié)果表明這種多功能水凝膠是一種具有臨床應(yīng)用前景的傷口敷料。相關(guān)工作以題為“Water- and for wound ”的文章發(fā)表在2023年6月14日的知名期刊《 China 》。

1. 創(chuàng)新型研究內(nèi)容

本研究制備了PUA涂覆的甲基丙烯酸酯化絲素蛋白/TA (SFMA/TA (ST))水凝膠創(chuàng)傷敷料，其具有良好的組織粘附性、持久的保水性和可撕斷能力(圖1)。首先，用甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)對SF進(jìn)行改性以獲得SFMA，然后通過紫外(UV)交聯(lián)制備SFMA水凝膠。然后，將SFMA水凝膠浸泡在TA溶液中，通過改變TA濃度和浸泡時間，調(diào)節(jié)和優(yōu)化ST水凝膠的粘附能，以確保水凝膠具有良好的組織粘附和可撕斷能力。接下來，PUA涂層包封ST水凝膠以制備具有改善的保水能力的PUA涂覆的ST水凝膠。此外，還評估了水凝膠的溶脹比、凝血、體內(nèi)止血和生物相容性。最后，通過建立大鼠的全厚度模型，檢驗了PUA涂覆的ST水凝膠對促進(jìn)傷口愈合效率的作用。

圖1 傳統(tǒng)水凝膠敷料和PUA涂覆的ST水凝膠敷料的比較以及PUA包被的ST水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖

TA是一種經(jīng)由FDA批準(zhǔn)的天然多酚，含有豐富的鄰苯三酚和兒茶酚基團(tuán)，通過氫鍵、π-π相互作用和金屬螯合作用，使水凝膠和各種材料之間具有很強(qiáng)的粘附力(圖2)。將SFMA水凝膠浸泡在TA溶液中，可以得到具有粘附性的ST水凝膠。本研究采用180度剝離測試來量化SFMA/TA水凝膠的粘附能。如圖2c、d所示，隨著TA濃度和浸泡時間的增加，粘附能先增加后降低。當(dāng)TA濃度為5 wt%且浸泡時間為2 h時，ST水凝膠的粘附能達(dá)到峰值(52.6±3.8 J·m2)。此外，這種ST水凝膠可以緊密粘附到具有不同彎曲角度(0°、45°、90°和135°)的手指上，并粘附到其他材料如橡膠、金屬、玻璃和塑料上。有趣的是，這種粘附在手指上的水凝膠可以在剝離時分離，然后在皮膚上留下殘余的粘合劑(圖2e)，這可能是因為這種水凝膠的粘附能高于其斷裂能。斷裂能測試顯示水凝膠的斷裂能為32.7±2.4 J·m2，低于其粘附能。為此，本研究通過向ST水凝膠中添加10 wt%甲基丙烯酸酯化聚乙二醇(PEGMA)以增加其機(jī)械性能，獲得不可撕斷的對照組。與ST水凝膠類似，在5wt% TA溶液中浸泡2小時后，PEGMA/ST (PST)水凝膠可達(dá)到粘附能的峰值(55.9±6.6 J·m2)，低于其斷裂能(228.7±44.5 J·m2)(圖S2)。基于上述數(shù)據(jù)，這種可撕斷的ST水凝膠可能適合作為傷口敷料，以減少在更換敷料期間對傷口的損傷。

圖2 水凝膠的粘附機(jī)理和水凝膠的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變實驗

圖3示意性地展示了ST水凝膠表面上PUA涂層的形成。在第一步中，將圓柱形ST水凝膠(直徑= 15 mm，厚度= 2 mm)置于浴中，然后浸入0.5wt% I2959(一種水/油溶性光引發(fā)劑)溶液中5分鐘。取出水凝膠，擦去表面上殘留的I2959溶液。通過反轉(zhuǎn)過程，該水凝膠可以獲得更好的保水能力，因此，在第二步中，水凝膠被反轉(zhuǎn)并懸浮在低聚UDA浴中。通過將UDA浴的底部暴露于紫外光(365nm), I2959光引發(fā)劑將引發(fā)UDA低聚物的自由基聚合，形成PUA涂層。最后，除了表面2，水凝膠被透明且形狀適合的PUA涂層包封。掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(圖3b)表明，通過將聚合時間從10分鐘延長至60分鐘，PUA涂層的厚度從約54.4 μm增加至139.2 μm。接下來，本研究測試具有不同涂層厚度的水凝膠的保水能力(圖3c，d)。沒有涂層的水凝膠發(fā)生明顯收縮，這是由于水的快速蒸發(fā)，其重量比在10小時時僅為28.3±1.1wt%，然后在大約24小時時達(dá)到平衡(19.9±0.4wt%)。相比之下，具有涂層的水凝膠的保水能力顯著增加。當(dāng)PUA涂層的聚合時間為10 min時，水凝膠能保持其形狀至24 h，但在48 h時才會明顯收縮，重量比僅為48.0±6.0 wt%。

圖3 PUA涂層的形成和功能

一般來說，水凝膠良好的組織粘附性能將賦予其良好的止血性能。通過血液凝固指數(shù)(BCI)評價水凝膠的體外止血性能，其中較高的BCI值顯示較低的凝固速率。圖4顯示對照組和紗布組比水凝膠組具有更高的BCI值。接下來，本研究進(jìn)一步建立小鼠的尾部截肢模型，以評價水凝膠的體內(nèi)止血性能。如圖4c所示，對照組(135.0±9.5毫克)的失血量最高。經(jīng)紗布和水凝膠治療后，失血量分別減少到78.7±18.7和41.3±5.0 mg。圖4d顯示粘性水凝膠組的止血時間(126.7±21.4秒)明顯短于空白組(254.3±18.4秒)和紗布組(163.3±6.5秒)。紗布通過吸收血漿來濃縮紅細(xì)胞(RBCs)和凝血因子而具有止血特性。一方面，水凝膠可以粘在血液區(qū)域作為防止失血的物理屏障。另一方面，TA和血液中的蛋白質(zhì)之間的氫鍵相互作用也可能減少出血。此外，SF可以誘導(dǎo)凝血酶的形成，以加速血液凝固。基于上述數(shù)據(jù)，這種粘性水凝膠具有良好的止血性能。

圖4 水凝膠的止血性能

良好的生物相容性是創(chuàng)傷愈合生物材料的先決條件。紅細(xì)胞的破裂會導(dǎo)致血小板、血紅蛋白的釋放，甚至血栓的形成，因此紅細(xì)胞的相容性對于與血液接觸的傷口敷料非常重要。溶血活性測定用于評估水凝膠的溶血率。圖5a顯示水凝膠的溶血率明顯低于ddH2O組。此外，本研究對水凝膠與L929細(xì)胞的細(xì)胞相容性進(jìn)行了評價。如圖5b所示，450 nm處的光密度(OD450)表明水凝膠組有超過85%的細(xì)胞在12、24和48小時仍然存活，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生物材料無毒的最低可接受標(biāo)準(zhǔn)(70%)。活/死細(xì)胞染色的共聚焦圖像(圖5c)表明，對照組和水凝膠組的活細(xì)胞密度(綠色熒光)隨著培養(yǎng)持續(xù)增加，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)死細(xì)胞(紅色熒光)。總的來說，這些血液相容性和細(xì)胞相容性結(jié)果表明水凝膠具有良好的生物相容性。

圖5 水凝膠的生物相容性

在動物實驗之前，本研究測試了10次換藥后殘留粘合劑的厚度。數(shù)據(jù)表明：皮膚上殘留的粘合劑接觸不會隨著敷料的改變而變厚。為了評估PUA涂覆的ST水凝膠的實際治療效果，在SD大鼠背部產(chǎn)生體內(nèi)全層皮膚缺損(直徑= 10 mm)。將這些大鼠隨機(jī)分為五組:空白組、紗布組、ST水凝膠組、PUA包被PST水凝膠組和PUA包被ST水凝膠組。本研究數(shù)碼相機(jī)在第0、3、6和12天記錄五組的傷口愈合過程(圖6a)。為了進(jìn)一步直觀地說明這些組之間傷口愈合效率的差異，圖6c顯示了它們的動態(tài)愈合過程。很明顯，三個水凝膠組比空白組和紗布組具有更高的愈合效率，這主要是因為水凝膠提供了潮濕的環(huán)境。從圖6b中還可以看出，PUA包被的ST水凝膠組在第12天的傷口愈合率為96.9%±0.6%，高于PUA包被的PST水凝膠組(92.2%±0.6%)、ST水凝膠組(89.1%±0.7%)、紗布組(82.4%±1.2%)和空白組(86.4%±1.2%)。

圖6 幾組實驗在不同天數(shù)的傷口愈合率

本研究通過蘇木精和曙紅(H&E)和染色進(jìn)一步評估第12天五組中的傷口愈合質(zhì)量(圖7a)。傷口寬度越短，組織愈合越好。圖7b顯示PUA包被的ST水凝膠組的傷口寬度(0.558±0.021mm)在所有組中最短，而包被的PST水凝膠組、ST水凝膠組、紗布組和空白組的傷口寬度分別為1.375±0.239、1.940±0.164、2.940±0.453和2.126±0.155mm。此外，膠原指數(shù)越高，膠原在傷口中的沉積越好。膠原指數(shù)結(jié)果(圖7c)顯示，與PUA包覆的PST水凝膠(58.5%±1.2%)、ST水凝膠(51.0%±2.7%)、紗布(42.2%±2.4%)和空白(48.8%±2.6%)組相比，水凝膠組——尤其是PUA包被的ST水凝膠組(66.5%±6.0%)顯著增強(qiáng)膠原的沉積。這些組織學(xué)數(shù)據(jù)與對傷口愈合的觀察非常一致。

圖7 第12天的H&E和染色結(jié)果以及傷口寬度

本研究進(jìn)一步評估了五組實驗的繼發(fā)性損傷，以揭示PUA包被的ST水凝膠加速傷口愈合的機(jī)制(圖8)。由于對傷口的再損傷，換藥過程中的二次損傷可被視為對傷口的新?lián)p傷，并導(dǎo)致繼發(fā)性出血和炎癥因子的相關(guān)基因表達(dá)增加。圖8b顯示PUA包覆的ST水凝膠組的繼發(fā)性出血在任何更換敷料時都是最低的。此外，相關(guān)炎癥因子(TNF-α和IL-1β)在新?lián)p傷后約12小時顯著增加。因此，采用實時定量聚合酶鏈反應(yīng)(RT-qPCR)檢測首次換藥后12h TNF-α和IL-1β的相對基因表達(dá)。結(jié)果表明：PUA包覆的ST水凝膠組具有兩種炎癥因子的最低相對基因表達(dá)。這些結(jié)果很可能是由于PUA包覆的ST水凝膠的持久保水性和可撕斷能力。

圖8 二次損傷評估

2. 總結(jié)與展望

本研究開發(fā)了一種具有良好止血性能和生物相容性的保水和可撕斷的包含PUA涂層ST水凝膠傷口敷料。粘附能和斷裂能的評估表明，可撕斷的ST水凝膠可以通過將SFMA水凝膠浸泡在5 wt% TA溶液中2 h來獲得。接下來，在水凝膠表面形成疏水性PUA涂層以防止水分蒸發(fā)。與空白、紗布、ST水凝膠和PUA涂覆的PST水凝膠敷料相比，涂覆的ST水凝膠敷料不僅提供了持久的濕潤環(huán)境，而且在換藥期間被分離而沒有二次損傷，從而提高了傷口愈合效率。此外，應(yīng)該注意的是，殘留的粘合劑不能被去除，因此對于需要清潔的傷口，例如感染的傷口，這種情況下水凝膠敷料可能不合適。總之，PUA涂層的ST水凝膠促進(jìn)了傷口愈合，并為下一代粘性水凝膠傷口敷料的設(shè)計帶來了新的啟發(fā)。

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