粘附型互穿网络抗菌凝胶的制备及体外表征外文翻译资料

 2022-08-08 11:31:42

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抗菌、抗氧化、电活性可注射水凝胶作为自愈创面敷料，具有止血和粘附作用，用于皮肤创面愈合

关键词：抗菌；电活性；导电水凝胶敷料；自愈；全层皮肤缺陷模型；创面愈合

摘要：可注射自愈合水凝胶敷料具有抗感染、抗氧化和电导率促进创面愈合过程等多功能特性，在创伤愈合领域的应用前景广阔，其设计仍然是一个挑战。以季铵化壳聚糖-g-聚苯胺（QCSP）和苯甲醛基化的聚乙二醇-共聚癸二酸甘油酯（PEGS-FA）为基础，我们开发了一系列可注射导电自修复水凝胶，作为皮肤创面愈合的抗菌、抗氧化和电活性敷料。这些水凝胶具有良好的自愈性、电活性、自由基清除能力、抗菌活性、粘附性、导电性，溶胀率和生物相容性。有趣的是，最佳交联剂浓度为1.5 wt％PEGS-FA的水凝胶显示出极好的体内凝血能力，在全层皮肤缺陷模型中，与季铵化壳聚糖/ PEGS-FA水凝胶和市售敷料（Tegadermtrade;薄膜）相比，其通过上调生长因子（包括VEGF，EGF和TGF-b）的基因表达，促进肉芽组织的厚度和胶原蛋白沉积，显着增强了体内创面愈合过程。综上所述，抗菌电活性可注射水凝胶敷料依靠自愈能力延长敷料使用寿命，并因其多功能特性显着促进体内创面愈合，是全层皮肤创面愈合的理想选择。

1.引言

皮肤是人体最大的器官，可保护人体免受损伤和微生物的侵袭，维持体液、电解质和营养成分[1]。一旦皮肤出现严重缺陷，创面将严重影响人们的生命和健康。创面，尤其是大面积全层创面，修复时间较长[1-3]，急、慢性创面一直是临床的主要问题[1]。因此，需要一种理想的创面敷料作为屏障，以满足创面快速愈合、促进创面愈合和减少瘢痕形成的需求。目前已开发出几种创面敷料，包括橡胶、泡沫、电纺纳米纤维、膜和水凝胶等[1,4-7]。在这些敷料中，水凝胶敷料能保持创面环境湿润，吸收组织渗出物，使氧气渗透并冷却创面表面，从而减轻患者的疼痛[2,8]。特别是可注射的水凝胶敷料，具有更独特的特性，如原位封装药物、填充创面（即使是不规则的空间）、粘附创面等[2,9]。虽然注射水凝胶创面敷料会填充创面并粘附在创面上，以保护创面免受外部环境的影响，但是大多数弹性不强的可注射水凝胶在施用于创面部位后，可能会因外力的作用引起某些变形或损坏。该破坏可缩短水凝胶的寿命，引起感染，并进一步引起炎症反应[10]。自愈材料具有自我修复的能力，为生产更安全、寿命更长的产品开辟了一条新途径[11-16]。因此，在该领域急需开发具有自主自愈能力的可注射水凝胶创面敷料。不幸的是，目前还没有关于自愈性可注射水凝胶创面敷料的报道。

为了避免伤口感染，敷料应具有良好的抗菌活性。特别是抗菌创面敷料会导致细菌耐药现象越来越严重[17]。针对该问题，研究人员通过在敷料中加入抗菌剂或直接使用具有内在抗菌活性的材料，开发了抗菌创面敷料[6,18-22]。与具有可释放的抗菌剂的敷料相比，具有内在抗菌活性的敷料可能会表现出持久的抗菌活性并降低对组织的细胞毒性。壳聚糖具有内在的抗菌活性，在开发水凝胶创面敷料中具有镇痛作用、止血活性等诸多优势，且具有大量的活性氨基，可用于中度交联反应[23-25]。然而，其抗菌活性在非酸性环境中受到限制，生理条件下的不溶性进一步阻碍了其用于制备原位抗菌水凝胶敷料。我们在前期工作中合成的季铵化壳聚糖-g-聚苯胺共聚物[26]比纯季铵化壳聚糖具有良好的水溶性、更强的抗菌活性和细胞相容性。季铵化壳聚糖-g-聚苯胺的这些性质表明，其是制备抗菌可注射水凝胶敷料的理想材料。

人们对加速创面愈合过程的水凝胶创面敷料寄予厚望。皮肤由真皮，表皮和角质层组成，是电信号敏感组织之一，不同皮肤的电导率值范围在2.6 ms / cm~1times;10-4ms / cm 之间[27,28]。电活性材料已被证实可促进细胞活性，包括细胞粘附、增殖、迁移和电兴奋细胞的分化，如成纤维细胞、角质形成细胞、神经、骨骼、肌肉、心脏和间充质干细胞[29-37]。聚苯胺作为导电聚合物之一，由于其良好的生物相容性和导电性，得到了广泛的研究[29,31]。然而，聚苯胺的溶解度较差，阻碍了其广泛的应用。将聚苯胺嫁接到季铵化的壳聚糖骨架上可得到具有良好电活性的水溶性导电共聚物 [26]。此外，在季铵化壳聚糖上引入聚苯胺可以使材料具有良好的自由基清除能力[38]。作为病理条件下重要的炎症介质，活性氧（ROS）的过量产生破坏了细胞氧化/抗氧化的平衡，导致糖尿病器官损伤、感染、组织再生和伤口愈合缓慢[39]。我们预期具有电活性和自由基清除能力的水凝胶创面敷料能够促进创面愈合。然而，设计可注射导电水凝胶作为生物活性创面敷料尚未见报道，这仍然是一个挑战。

在此工作中，我们利用季铵化壳聚糖-g-聚苯胺来制作具有自愈性和粘附性的抗菌电活性抗氧化可注射水凝胶伤口敷料，并进一步证明了其在全层皮肤缺陷模型中显著促进体内伤口愈合过程的潜力。在生理条件下，我们通过混合季铵化壳聚糖-g-聚苯胺和苯甲醛基化的聚乙二醇-共聚癸二酸甘油酯溶液，简捷地制备了可注射水凝胶敷料。然后对水凝胶的化学结构、电化学性能、凝胶化时间、形态、电导率、溶胀比、稳定性和流变性能进行了系统的评价。水凝胶敷料表现出快速自愈能力，有效的凝血能力和良好的粘附性。此外，可注射水凝胶敷料还具有极好的抗菌活性，生物相容性和自由基清除能力。对体内伤口闭合、组织病理学检查、生化分析和基因表达的结果进行评估，以研究导电水凝胶敷料在全层皮肤缺损模型中的治疗效果。

2.材料和方法

2.1 季铵化壳聚糖-g-聚苯胺(QCSP)的合成

如前所述合成季铵化壳聚糖-g-聚苯胺（QCSP）[26]。详情参照SI材料和方法中的图1。

2.2 苯甲醛基官能化聚乙二醇-癸二酸甘油酯共聚物的合成

我们像之前报告的一样合成了聚乙二醇-共聚癸二酸甘油酯，并对其进行了一些修饰[40]。为合成苯甲醛基化的PEGS（PEGS-FA），以EDC为脱水剂，DMAP为催化剂，通过酯化反应将4-甲酰苯甲酸（FA）接枝到PEGS上（图1b）。详细情况参照SI材料和方法的图S1。

2.3抗菌电活性自愈水凝胶的制备

将QCSP溶于PBS（pH 7.4）中，形成恒定浓度为3.5 wt％（w / v）的溶液，并加入1 mol/L HCl（盐酸与醌式结构单元的摩尔比为2：1）。PEGS -FA溶解在PBS中形成固定浓度为25 wt% (w/v)的原液。通过混合两种溶液制备水凝胶，然后将在37℃下短时间形成水凝胶。我们制备了6种QCSP恒定浓度为3 wt%，PEGS-FA浓度从0.5 wt％到3 wt％不等的水凝胶。水凝胶的具体组成如图2a所示。

2.4表征

采用凝胶渗透色谱法(GPC)、核磁共振(1H NMR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见分光光度法（UV-vis）、循环伏安法(CV)、电导率试验、凝胶时间试验和水凝胶稳定性试验考察共聚物样品或水凝胶的化学和物理表征。详细信息见SI材料和方法。

2.5水凝胶的流变性能

通过使用TA流变仪(DHR-2)并使用三种不同的方法对水凝胶进行流变测量。(1)采用时间扫描试验评价水凝胶的储能模量。(2)采用应变幅扫描试验获得临界应变。(3)采用交替步进应变扫描试验测定水凝胶的自愈能力。详细信息见SI材料和方法。

图1.QCSP/PEGS-FA水凝胶合成的示意图。(a)QCSP共聚物的合成；(b)PEGS-FA共聚物的合成；(c)QCSP/PEGS-FA水凝胶的制备；(d)PEGS-FA溶液、QCSP溶液和水凝胶QCSP3/PEGS-FA1.5的照片；(e)柔性软质水凝胶QCSP3/PEGS-FA1.5的弯曲和压缩形状。比例尺：5 mm。

2.6宏观自愈试验

制备直径1 cm、长度5.5 cm的柱状水凝胶(QCSP3/PEGS-FA1.5)。先将水凝胶切成4段，然后将这4段一起置于25 ℃的保湿盒中2h，使其自愈成完整的柱状水凝胶。自愈合柱状水凝胶可支撑自身重量，弯曲成U形。对水凝胶的所有情况进行拍照。

2.7水凝胶的粘结强度试验

搭接剪切试验用于测试水凝胶的本体粘合强度[14]。详细信息见SI材料和方法。

2.8水凝胶的凝血能力试验

根据参考文献[41]所述将水凝胶的体内止血性能进行了评价，并采用了肝出血小鼠模型。详细信息见SI材料和方法。

2.9水凝胶的溶血活性试验

根据参考文献[26]进行了溶血活性试验，以评价水凝胶的血液相容性和细胞毒性。详细信息见SI材料和方法。

2.10水凝胶的生物相容性评价

通过水凝胶与L929细胞之间的直接接触试验测定水凝胶的细胞毒性。详细信息见SI材料和方法。

2.11抗菌活性评价

对大肠杆菌(ATCC 8739)和金黄色葡萄球菌(ATCC 29213)进行水凝胶表面抗菌活性检测。简要的说就是在48孔微孔板(Costar)中制备200 mL水凝胶。完全凝胶化后，将10 mu;L溶剂为无菌PBS的细菌悬液(106 cfu mL-1)中加入48孔培养板的每个水凝胶表面。接种的水凝胶在37 ℃条件下培育2 h，微孔板内部相对湿度不低于90%。结束时，向各孔中加入1 mL无菌的PBS，重悬所有存活细菌。将混悬于1 mL PBS中的10 mu;L细菌悬液(106 cfu mL-1)用作阴性对照。在37 ℃下培育18至24小时后，对琼脂板（皮氏培养皿）上的菌落形成单位进行计数。每组重复试验3次，结果表示为灭菌数%：

灭菌数% =

图2.QCSP/PEGS-FA水凝胶的表征：(a)水凝胶的组分、凝胶化时间、电导率；(b)PEGS-FA、QCSP和水凝胶QCSP3/PEGS-FA2.0的FTIR红外光谱；(c) HCl掺杂的水凝胶QCSP3/PEGS-FA1.5在水中的紫外可见吸收光谱；(d)水凝胶QCSP3/PEGS-FA1.5在DMSO/HCl溶液中的循环伏安图。

2.12全层皮肤缺损模型中的体内伤口愈合

采用全层皮肤缺损模型监测创面闭合情况。动物手术、伤口闭合研究和生化分析的详细信息可在SI材料和方法中获得。

2.13伤口愈合过程中相关基因的表达

表皮生长因子(EGF)、转化生长因子-beta;(TGF-beta;)和血管内皮生长因子(VEGF)是参与创面愈合过程的3种主要生长因子。分别在第5、10和15天采集的再生皮肤组织中测定这3个基因的表达水平。详细信息见SI材料和方法。

2.14组织病理学检查

为了评价伤口区域的皮肤再生和炎症，使用第5、10和15天采集的再生皮肤进行组织病理学检查。详细信息见SI材料和方法。

2.15水凝胶的抗氧化剂效率

通过测定水凝胶清除稳定的1,1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)的能力，检测水凝胶的抗氧化效率。详细信息见SI材料和方法。

2.16统计分析

使用单因素方差分析方法（one-way ANOVA）分析体内伤口闭合实验的数据。使用t检验分析研究的其他实验数据。P值 lt; 0.05被视为具有统计学意义。结果以平均值plusmn;标准差(SD)表示。

3.结果与讨论

3.1具有自愈性和黏附性的抗菌、电活性可注射水凝胶的合成

伤口愈合过程是一个非常复杂的生化过程[42,43]。因此我们非常需要具有多功能特性的敷料来增强伤口愈合中的生化过程。在本研究中，我们制备了一系列具有抗菌活性、电活性、自由基清除能力、止血活性和粘附性的自愈性可注射水凝胶敷料，有助于加速伤口愈合过程。水凝胶敷料的合成示意图如图1所示，水凝胶敷料的合成细节如图S1所示。首先通过优化共聚物的残留氨基含量、溶解度、电导率、抗菌活性和细胞毒性来合成QCSP（图1a）。在季铵化壳聚糖骨架上引入聚苯胺，降低了纯季铵化壳聚糖的细胞毒性，增强了抗菌活性[26]。其次，通过酯化反应将4-甲酰苯甲酸接枝到羟基封端的PEGS上，合成了具有良好溶解性、降解性和苯甲醛基作为交联剂的PEGS-FA（图1b）。第三，具有抗菌活性、电活性和抗氧化活性的QCSP与PEGS-FA通过芳香族Schiff碱反应交联，使共聚物混合物凝胶化（图1c和d）。QCSP/PEGS-FA水凝胶具有柔软和柔韧的性能，使其能够耐受PEGS-FA柔性聚合物链和动态化学键合水凝胶网络引起的弯曲和挤压（图1e）。此外，高动态化学键合水凝胶网络水凝胶被芳香族Schiff碱同时赋予了自主自愈性和粘结性。考虑到自愈能力（图S2），选择交联剂浓度为0.5 wt%、1.0 wt%、1.5 wt%和2.0 wt%的水凝胶进行进一步研究（图2a）。4种水凝胶分别编码为QCSP3/PEGS-FA0.5、QCSP3/PEGS-FA1.0、QCSP3/PEGS-FA1.5和QCSP3/PEGS-FA2.0。共聚物名称后的数字是指水凝胶中组分的浓度(wt%)。

通过FTIR确认了水凝胶的化学结构（图2b）。在干燥水凝胶QCSP3/PEGS-FA2.0的光谱中，PEGS-FA中醛基伸缩振动的1702 cm-1处的特征峰消失。此外，由于QCSP的胺基和PEGS-FA的醛基新形成的Schiff碱的特征吸收，水凝胶QCSP3/PEGS-FA2.0中约1644 cm-1处的吸收强度比高于QCSP共聚物（图2b）[14]。这些结果证明QCSP和PEGS-FA之间通过Schiff碱反应发生交联，水凝胶中醛基全被反应掉。

3.2水凝胶的电化学性能和抗氧化能力

为了确认水凝胶的电活性，我们首先在掺杂和未掺杂状态下测量了水凝胶的紫外可见分光光谱（图2c）。

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