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中科院宁波材料所慈溪医工所王荣团队、中山大学付俊课题组《ACS Appl. Mater. Interfaces》机械响应药物控释抗菌水凝胶用于皮肤伤口修复
日期:2020-12-15, 查看:1008

       近年来,用于伤口修复的生物材料在全球范围内引起了广泛关注。相比传统伤口敷料,水凝胶因其高含水量、优异的生物相容性、智能响应性等性质被广泛地用于伤口修复研究。皮肤常处于动态力学环境中,比如,指关节、肘关节等关节部位由于频繁的弯曲活动,皮肤受到拉伸作用;足底部位由于行走运动等而受到压力作用,上述部位的伤口容易受外力作用产生形变,干扰愈合过程,增加受细菌感染的几率,甚至造成二次伤害。因此,可适应伤口形变,并根据伤口形变特征相应的调控药物释放,抑制伤口细菌感染、促进伤口愈合的水凝胶具有极大的临床应用前景。

       近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所慈溪生物医学工程研究所王荣团队、中山大学付俊课题组和南昌大学刘东雷课题组共同研发了一种机械响应药物控释、抗菌抗污水凝胶用于皮肤伤口修复。以丙烯酰化Pluronic F127(F127DA)胶束作为大分子交联剂和活性药物载体,甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱作为单体,利用自由基聚合合成水凝胶(图1)。该水凝胶表现出优异的力学性能和良好的组织粘合性(图2a-c)。由于聚两性离子材料的高亲水性,在水性条件下该水凝胶材料表面能够形成稳定的排斥性边界,表现出优异的抗生物污染性能(图2d-i)。

图1. (a, b)水凝胶制备过程示意图;(c) 机械力作用下水凝胶网络的变形和药物释放示意图

图2.水凝胶的(a)拉伸应力-应变曲线、(b)压缩应力-应变曲线,(c)水凝胶在猪皮表面的粘附强度-位移曲线;金黄色葡萄球菌在(d) UrgoClean敷料, (e) F6S4.0 和(f) F6S4.0R 水凝胶表面生物膜形成情况的SEM图;(h, g, i) 不同细菌在敷料和水凝胶表面粘附的数量

       对F127DA 胶束交联的水凝胶施加外力时,F127DA 胶束发生构象变形,胶束内部的疏水缔合作用被破坏,导致其所负载的疏水药物与胶束核的结合不稳定,从F127DA 胶束释放到水凝胶基质中,最终通过扩散释放到外部环境。从而该水凝胶可通过机械应变大小和机械循环加载次数有效调控药物持续释放,表现出高效抗菌性能(图3a, b);并且结果表明机械应变能够促进药物在组织内的渗透,这为该水凝胶作为药物搭载平台提供了广泛应用的可能(图3c, d)。在大鼠全层皮肤缺损模型实验中,该水凝胶表现出良好的促进皮肤修复的能力(图4)。

图3. (a)不同拉伸应变下F6S4.0R水凝胶的药物释放曲线及(b)其所释放药物溶液对金黄色葡萄球菌的抑菌圈大小;在荧光水凝胶(c)静置100分钟和(d) 60%应变下压缩循环1000次之后猪肉组织截面的荧光共聚焦显微图像,标尺代表250 μm,白色虚线右侧为猪肉组织,红色虚线代表荧光强度测量区域。

图4. (a)伤口修复过程代表性照片,(b)伤口大小,以及(c,d)水凝胶组和对照组伤口区域的H&E染色图像。蓝色箭头:上皮层。黑色箭头:在伤口区域形成血管。

        上述工作以“Mechano-Responsive, Tough, and Antibacterial Zwitterionic Hydrogels with Controllable Drug Release for Wound Healing Applications”为题发表于国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 47, 52307–52318)。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、宁波市“科技创新2025”重大专项等项目资助。中国科学院宁波材料技术与工程研究所慈溪生物医学工程研究所王荣副研究员、中山大学付俊教授和南昌大学刘东雷副教授为共同通讯作者,第一作者是南昌大学与中科院宁波材料所联合培养硕士方堃,现于日本东京工业大学和理化学研究所攻读博士学位。

 

论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.0c13009