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具有优异的抗菌活性和快速形状适应性的复合食品胶水凝胶用于加速细菌感染伤口愈合

嘉峪检测网        2021-08-29 19:21

当前多数常用的伤口敷料都存在无法适应伤口形状或缺乏抗菌能力等问题,严重影响了其临床治疗效果。本研究通过将聚多巴胺纳米粒子掺杂食品胶凝胶,合成了一款性能优异的复合食品胶伤口敷料。该敷料具有快速的形状适应性和优异的抗菌性能,极大的加快了细菌感染的伤口愈合,为后续伤口的治疗提供了新思路。

 

01、研究内容简介

 

每年有数百万例因意外创伤或外科手术造成的创伤需要治疗。开放性伤口易受外界细菌感染,存在严重的伤口炎症风险,抑制伤口愈合,甚至导致死亡的风险。伤口敷料是目前最常用的促进伤口愈合的方法之一:其使用方便,治疗效果显著。虽然纱布、创可贴、棉花等在临床治疗中被广泛用作创面敷料,但这些材料在实际应用中存在严重的问题,如缺乏弹性,影响了它们对创面形状的适应能力和贴合能力。特别是当机体剧烈运动时,这些传统敷料易变形和脱落。此外,大多数伤口敷料缺乏足够的抗菌能力或需要大量抗生素,使用抗生素可能会增加细菌的耐药性。因此,开发一种快速适应正确形状且不使用抗生素的抗菌伤口敷料具有重要的现实意义。

 

水凝胶是具有高含水量的互连聚合物网络,被广泛认为是伤口敷料的理想材料。将黄原胶(XG)和魔芋葡甘露聚糖(KGM)混合可以生产协同水凝胶,这是一种典型的食品胶材料,已获得美国食品药品管理局(FDA)的批准。XG和KGM分别以溶液状态存在。然而,当它们混合时,XG和KGM多糖链之间会产生显着的非共价相互作用,形成热可逆凝胶网络。与大多数水凝胶相比,XG-KGM (XK)凝胶具有更高的弹性和含水量,能够快速响应外部变化的形状适应性。这确保了XK凝胶能够完美贴合伤口的大小和形状,将其与外界隔离并为愈合提供湿润的环境。然而,虽然XK水凝胶敷料表现出令人满意的伤口愈合性能,但单独使用时无法满足实际应用的需要。这是因为它们缺乏减少伤口感染所需的抗菌能力,并且机械强度不足,所以容易在伤口部位破裂。

 

掺杂纳米聚多巴胺(PDA NPs)是一种潜在的补偿XK凝胶缺陷的方法。通过多巴胺氧化聚合制备的PDA NPs具有优异的生物医学应用性能。PDA NPs的结构类似于天然黑色素,其优点包括光吸收能力强、生物相容性好、制备方法简单。PDA NPs还具有很高的光热转换效率,最近被开发为一种光热转导剂,以防止细菌感染。XK-PDA (XKP)纳米复合水凝胶是通过在XK凝胶中掺杂PDA NPs制备的,可用于通过光热灭菌杀死伤口中的细菌,并显示出广谱杀菌活性,而不会引起细菌耐药性。此外,PDA NPs 可以与XK凝胶基质相互作用形成具有高机械强度的纳米复合水凝胶,并防止水凝胶网络在机械应力下破裂。

 

基于这些结果,我们通过将PDA NPs原位掺杂到XK凝胶中来合成一系列创新的纳米复合水凝胶,以增强细菌感染伤口的愈合。XKP纳米复合水凝胶表现出快速的形状适应性,确保敷料完全贴合伤口的形状。XKP水凝胶在暴露于近红外光时还可以产生光热效应,从而杀死伤口部位的细菌,减少炎症,并最终促进伤口愈合。在这个水凝胶系统中,PDA NPs和XK凝胶协同工作以实现所需的功能。一方面,PDA NPs增强了凝胶的机械性能以防止破裂并解决凝胶缺乏抗菌作用的问题。另一方面,XK凝胶具有多孔结构,可以提供足够的空间来容纳PDA NPs。本研究中制备的XKP水凝胶敷料结合了PDA NPs的光热抗菌性能和XK水凝胶的快速形状适应特性。该敷料策略为治疗伤口细菌感染提供了更多选择,具有一定的临床转化潜力。

 

具有优异的抗菌活性和快速形状适应性的复合食品胶水凝胶用于加速细菌感染伤口愈合|Bioactive Materials

Scheme 1. (A) Preparation and (B) application of XKP nanocomposite hydrogels in bacteria-infected wound healing.

 

具有优异的抗菌活性和快速形状适应性的复合食品胶水凝胶用于加速细菌感染伤口愈合|Bioactive Materials

Fig. 1. Physical and chemical properties of PDA NPs, XK, and XKP. (A, B) TEM images and (C) size distribution of PDA NPs. SEM images of XK (D) and XKP (E). (F) High-magnification micrograph of XKP. (G–I) Elemental mapping analysis of XKP (SEM). (J) FTIR spectrum and (K) TGA curve of XG, KGM, PDA NPs, XK and XKP. (L) Swelling ratio of wet XK and XKP hydrogels (n = 3).

 

实验结果表明PDA NPs平均粒径为179nm,食品胶凝胶表现出有序的竹节状层次结构,并通过进一步的表征验证了产物的合成。

 

具有优异的抗菌活性和快速形状适应性的复合食品胶水凝胶用于加速细菌感染伤口愈合|Bioactive Materials

Fig. 2. Near-infrared photothermal and antimicrobial performance of control, XK, and XKP in vitro. (A) Absorbance spectrum of XKP in the visible and NIR. (B) Photothermal effect curves and (C) heat maps of XK hydrogels (with PDA NPs contents of 0.5, 1, and 2 mg/L, respectively). (D) Temperature changes of XKP for varying power densities of 808 nm laser. (E) Irradiation cycle of XKP with 808 nm laser (1 W/cm2). (F–H) Representative images of E. coli colony-forming units for (F) control, (G) XK, and (H) XKP, and (L) corresponding statistical data of bacterial viability (n = 3). (I–K) Stained images of live (green fluorescence) and dead (red fluorescence) E. coli in (I) control, (J) XK and (K) XKP. (M–O) Scanning electron micrographs of E. coli in (M) control, (N) XK, and (O) XKP.

 

通过一系列的体外实验验证了复合食品胶凝胶的抗菌性能,为后续的体内实验提供数据支撑。

 

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Fig. 3. Deformability and mechanical properties of XK and XKP. Macroscopic phenomenon and microscopic mechanism of XKP (A) before compression, (B) during compression, and (C) on recovery. (D) Storage modulus G′, (E) loss modulus G′′, and (F) compression tests of XK and XKP.

 

伤口经常因运动或外力而变形。因此,强度和弹性对于水凝胶在创面敷料中的应用至关重要。通过相关的体外实验验证了该复合凝胶的快速形状适应能力,并对其中的机理进行了分析。

 

具有优异的抗菌活性和快速形状适应性的复合食品胶水凝胶用于加速细菌感染伤口愈合|Bioactive Materials

Fig. 4. Biocompatibility evaluation of XK and XKP. (A) Hemolysis photographs and (B) hemolysis ratio (%) of the hydrogels (n = 3). (C) Cell viability of indicated groups co-incubated with L929 cells for 1, 2, and 3 days (n = 3). Live/dead staining of L929 cells after contact with (D) control, (E) XK and (F) XKP for 3 days, where green fluorescence indicates live cells and red fluorescence indicates dead cells.

 

良好的生物相容性是设计新型生物医用材料的基本要求。作为伤口敷料,XKP水凝胶具有良好的血液相容性和细胞相容性,在伤口愈合方面具有广阔的应用前景。

 

具有优异的抗菌活性和快速形状适应性的复合食品胶水凝胶用于加速细菌感染伤口愈合|Bioactive Materials

Fig. 5. In-vivo assessment of XK and XKP for wound healing. (A) Process of creating an infectious rat full-thickness defect model and XKP-induced local photothermal therapy. (B) Real-time infrared thermal images and (C) photothermal heating curves of XK and XKP with 808 nm laser (1 W/cm2). (D) Shape adaptability performance test of XKP (repeated stretching–compression cycles of skin 10 times; red arrows indicate movement direction of skin). (E) Blood loss (n = 3) and (F) photographs of amputated rat tails: control, gauze, XK, and XKP. (G) Representative skin wound photographs. (H) Schematic diagram and (I) plot of wound areas (n = 3) for PBS, XK, and XKP groups on days 0, 3, 7, and 14.

 

体内实验表明XKP食品胶凝胶具有良好的光热转化能力、伤口形状适应能力、止血能力、及促进伤口愈合的能力。体内组织病理学分析结果进一步对组织微观结构进行了分析。

 

具有优异的抗菌活性和快速形状适应性的复合食品胶水凝胶用于加速细菌感染伤口愈合|Bioactive Materials

Fig. 6. In-vivo histopathological analysis, from left to right: PBS, XK, and XKP. (A) H&E staining and (B) magnification images. (C) Masson’s trichrome staining and (D) magnification images. Representative photographs of tissue slices after immunofluorescence labeling with (E) CD31 and (F) TNF-α.

 

在先前工作 (Bioactive Materials,2021, 6, 579-588, ESI 1%)基础上,在这项工作中,我们成功设计并开发了一种复合食品胶水凝胶,该水凝胶具有优异的抗菌性能和快速的形状适应性,可用于细菌感染的伤口愈合。用PDA NPs掺杂XK基质有效地增强了所得水凝胶的力学性能,得到的XKP水凝胶具有快速的形状适应性,允许它们随着伤口的形状而变化。体外近红外光热抗菌实验表明,XKP水凝胶对革兰氏阴性(大肠杆菌)和革兰氏阳性(金黄色葡萄球菌)细菌均具有广谱抗菌活性。此外,血液相容性、活/死细胞染色和CCK-8测定表明XKP具有优异的血液相容性和细胞相容性。除此之外,XKP可以很好地适应规则或不规则形状的伤口,并具有足够的止血能力来治疗皮肤创伤。重要的是,我们实验中的XKP组显示出比PBS和XK组更快的伤口闭合速度,甚至在伤口部位长出了毛皮,这表明XKP可以通过减少炎症和促进细菌感染来显着改善感染伤口的愈合。表皮再生。这种XKP水凝胶敷料采用简单而实用的方法制备,有望克服传统伤口敷料存在的问题,具有巨大的临床应用潜力。

 

02、论文第一/通讯作者简介

 

第一作者:曾乾坤

博士、华东师范大学化学与分子工程学院,研究方向为智能水凝胶的制备及其在生物医学方面的应用研究。

 

共同一作:钱宇娜

博士、副研究员,中国科学院温州生物材料与工程研究所,研究方向为蛋白基水凝胶材料在生物医学领域的应用。

 

通讯作者:齐晓亮

博士,温州医科大学眼视光学院,研究方向为多糖基水凝胶材料的构筑及其在药物递送、组织工程和分离基质领域的应用。近五年内,以第一作者及通讯作者身份在Bioactive Materials, Chemical Engineering Journal, Journal of Hazardous Materials, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Sustainable Chemistry & Engineering等刊物上发表SCI论文33篇(IF > 10分6篇,IF = 7–10分14篇,论文IF之和为295,H因子29,论文被引用1800余次)。

 

通讯作者:沈建良

博士,研究员、博士生导师。2014 年于中山大学获得理学博士学位,2012-2017年于康奈医学院从事助理研究员和博士后,2017年加入温州医科大学眼视光学和视觉科学国家重点实验室、中国科学院大学温州研究院。研究主要集中于纳米材料/技术等在生物医学领域中的探究,应用于癌症的成像和治疗、抗菌、组织工程、眼科以及其他疾病的诊疗一体化应用。已申报和授权中美专利27项;在国际权威学术期刊已发表100多篇相关学术论文,13篇 ESI 1%论文。研究工作以第一/通讯作者发表在ACS Nano, Nano Letters, Materials Today, Chemical Society Reviews和Bioactive Materials等专业领域主流期刊上。目前主持国家自然科学基金面上和青年项目、浙江省自然科学基金重点项目和温州研究院重点专项等10余个科研项目。相继荣获浙江省高校青年优秀人才、浙江省钱江人才等奖项和荣誉。此外也担任Frontiers in Chemistry和 Biosensors客座编辑,Chinese Chemical Letters 青年编委。

 

03、资助信息

 

这项工作得到了国家自然科学基金(31800833和21977081)、浙江省自然科学基金(LZ19H180001和LQ19C100001)的支持。

 

04、原文信息

 

Qiankun Zeng1, Yuna Qian1, Yijing Huang, Feng Ding, Xiaoliang Qi∗, Jianliang Shen∗. 

Polydopamine nanoparticle-dotted food gum hydrogel with excellent antibacterial activity and rapid shape adaptability for accelerated bacteria-infected wound healing[J]. 

Bioactive materials, 2021, 6(9): 2647–2657.

 
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来源:BioactMater生物活性材料