【科研摘要】
很少有生物力学活性和生物化学功能的水凝胶伤口敷料的双管齐下的策略，它可以帮助伤口闭合并具有促进伤口愈合的多种功能。最近，西安交通大学郭保林教授团队设计了一系列基于季铵化壳聚糖（QCS），聚多巴胺涂层的还原氧化石墨烯（rGO-PDA）和聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）的生物力学活性的可注射自愈水凝胶，以促进多功能伤口敷料的发展。伤口闭合和伤口愈合。这些具有生物力学活性的伤口敷料具有出色的热响应性自收缩和组织粘附特性。它们牢固地粘附在皮肤上，并通过自我收缩主动收缩伤口，从而帮助伤口闭合。而且，这些水凝胶显示出有益于伤口愈合的生化多功能，包括良好的自愈性能，温度依赖性药物释放能力，抗感染，抗氧化和导电性。体内全层皮肤缺损模型表明，水凝胶敷料显着促进伤口闭合并加速伤口收缩，并以更高的肉芽组织厚度，胶原蛋白分布和增强的血管形成促进伤口愈合过程。总之，具有生物力学活性的可自我修复的导电胶水凝胶通过辅助伤口闭合和生化功能促进了伤口愈合，通过将生物力学和生化功能结合在一起，为伤口处理开辟了双管齐下的策略方法。
【图文解析】
1.QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝胶的合成，表征与应用
QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝胶的合成过程如图1a–c所示。首先，合成了具有良好抗菌活性的季铵化壳聚糖（QCS）。其次，在氧化和碱性条件下，由多巴胺预聚合聚多巴胺（PDA），通过PDA溶液将氧化石墨烯（GO）还原为还原GO（rGO），然后将PDA涂覆在rGO的表面上以形成rGO-PDA。然后通过水凝胶的组织粘附强度和热响应自收缩能力筛选出最佳PNIPAm含量。最后，将QCS，rGO-PDA和NIPAm单体完全混合，并通过自由基聚合反应，通过添加引发剂APS / TEMED和交联剂BIS合成QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝胶。
图1.（a）QCS的合成路线。（b）rGO-PDA的合成路线。（c）QCS / rGO-PDA / PNIPAm水凝胶制备和水凝胶良好特性的示意图：（1）导电性，（2）组织粘附，（3）抗菌活性，（4）自修复和（5）热响应自我收缩。（d）通过热响应性自收缩辅助伤口闭合的水凝胶的示意图。
如图1c所示，QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝胶显示出多功能特性：（1）rGO-PDA交织形成电子通路，赋予水凝胶良好的导电性；（2）通过PDA链上的游离儿茶酚基团和QCS带正电荷的氨基来提供组织粘附力；（3）QCS和rGO-PDA的光热性能赋予其抗菌性能；（4）PDA链上的游离邻苯二酚基团之间的可逆非共价键以及PDA链与QCS之间的动态席夫碱键可赋予水凝胶良好的自愈特性；（5）PNIPAm引入了水凝胶的热响应自收缩能力。QCS/rGO-PDA/PNIPAm水凝胶的上述优异性能使其成为伤口敷料的有希望的候选者，如图1d所示。
3.3水凝胶的自修复，流变性，抗氧化能力和电导率
表面伤口敷料经常承受外力引起的变形，磨损甚至损坏。自愈特性可以延长伤口敷料的使用寿命。因此，通过流变恢复测试评价水凝胶的自修复能力。首先，评估了QCS / rGO4-PDA / PNIPAm水凝胶的应变幅度扫描（图3a）。G'（储能模量）曲线和G''（损耗模量）曲线在611％的点处相交，这意味着当应变大于611％时，水凝胶结构被完全破坏。随后，每个步骤以70 s从1％到1000％的连续应变循环变化用于评估水凝胶的流变恢复行为。如图3b所示，当遇到较高的应变效应（1000％）时，水凝胶结构崩溃（G''> G'），而在施加较低的应变（1％）之后，水凝胶立即恢复其原始结构（G' > G''），其G'和G''值与原始水凝胶几乎相同，这表明QCS/rGO4-PDA/PNIPAm水凝胶具有出色的自愈能力。此外，还评估了QCS/rGO4-PDA/PNIPAm水凝胶的宏观自我修复能力。如图3c所示，首先将圆柱状水凝胶切成四块；然后将其切成四块。然后将四片水凝胶拼接在一起，并在25°C的恒温箱中放置2小时，而无需外部干预。最终，所有碎片都通过自我修复形成了完整的水凝胶，可以通过一端提起已修复的水凝胶。总之，流变恢复和宏观自我修复测试表明水凝胶具有良好的自我修复能力和较高的自我修复效率，这归因于游离儿茶酚基团在PDA链中的非共价相互作用以及阳离子-π和动态水凝胶中QCS和PDA链之间的共价席夫碱网络。
图3. 水凝胶的自愈能力。（a）在25°C的固定角频率（10 rad / s）下的应变幅度扫描测试（γ= 0.1–2000％）。（b）在25°C下以固定角频率（10 rad / s）在每个应变间隔内以70 s的交替从小应变（γ= 1.0％）到随后的大应变（γ= 2000％）的逐步应变扫描试验。（c）显示水凝胶的自愈性能。从上至下：圆柱状水凝胶，将圆柱状水凝胶切成4份，并在25°C孵育2小时后愈合。（d）所有水凝胶的流变行为：（A）QCS/rGO1-PDA/PNIPAm；（B）QCS / rGO2-PDA/PNIPAm；（C）QCS / rGO3-PDA/PNIPAm；（D）QCS/rGO4-PDA/PNIPAm。（e）所有水凝胶的抗氧化活性。（f）湿态和（g）干燥态下所有水凝胶的电导率。
在评估了水凝胶的自愈特性之后，水凝胶的流变性能也是其实际生物医学应用的重要参数。如图3d所示，随着水凝胶中rGO-PDA浓度的增加，由于增加的交联密度，所有水凝胶的储能模量从14、25、66逐渐增加到100 Pa。这一结果与以前的SEM观察结果一致。在伤口愈合过程中，伤口部位大量的自由基将通过酶失活，脂质过氧化和氧化应激引起的DNA断裂而阻碍伤口愈合。PDA具有出色的抗氧化性能，可以清除自由基，减少氧化应激所造成的损害。因此，通过DPPH清除实验评估了QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝胶的抗氧化能力。QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝胶的DPPH清除自由基的能力随浓度的增加而增强，而5 mg/mL的水凝胶几乎完全（97.8％）去除了DPPH（图3e）。总体而言，具有良好抗氧化能力的QCS / rGO-PDA / PNIPAm水凝胶具有作为伤口敷料的巨大潜力。导电生物材料是组织工程研究的热点。我们以前的研究还表明，导电材料对伤口愈合有积极作用。此外，研究表明rGO-PDA具有良好的导电性。因此，通过四探针法（图3f和3g）测量了水凝胶在湿态和干态下的电导率。
图4. 所有水凝胶的固有和光热联合抗菌活性。水凝胶对（a）大肠杆菌和（b）金黄色葡萄球菌的固有表面抗菌活性。（c）表面抗菌实验中存活细菌的照片。（d）水凝胶的ΔT–1.0 W/cm–2 NIR照射时间曲线。QCS/rGO2-PDA/PNIPAm水凝胶的光热作用赋予的抗菌活性对（e）大肠杆菌和（f）金黄色葡萄球菌。
3.4水凝胶的固有抗菌活性，光热性能和近红外（NIR）辅助抗菌能力
细菌伤口感染将导致极其严重的后果，例如伤口愈合缓慢，甚至致命的败血病。因此，理想的伤口敷料应具有固有的抗菌活性，可以保护伤口免受外部细菌感染并可以杀死伤口部位的细菌。在这项工作中，大肠杆菌（革兰氏阴性细菌）和金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性细菌）的细菌被用来评估所有水凝胶的固有抗菌能力。与空白组（PBS）相比，所有水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率均> 85％（图4a和4b），表明其固有的良好的抗菌能力。以上结果与图4c中的存活细菌照片一致。因此，所有水凝胶均显示出良好的固有抗菌活性，这可能是由于细菌膜被QCS中的季铵基团和带正电荷的氨基破坏了。rGO和PDA的水凝胶成分均具有出色的光热性能。另外，基于水凝胶的固有抗菌能力，由光热性质赋予的NIR辅助的抗菌能力可以进一步增强水凝胶的抗菌能力。因此，评估了所有水凝胶的光热性能和NIR辅助的抗菌能力。在1.0 W / cm2 NIR辐照10分钟后，随着rGO-PDA浓度的增加，所有水凝胶的温度分别升高9.6、10.8、12.1和12.6°C（图4d），这表明引入rGO-PDA具有良好的效果。对水凝胶的光热性质。金黄色葡萄球菌和大肠杆菌用于进一步评估水凝胶的NIR辅助抗菌能力。NCS辐照10分钟后，QCS / rGO3-PDA / PNIPAm水凝胶完全杀死了100％的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌（图4e和4f），表明由水凝胶的光热特性引起的温度升高有效地杀死了两者细菌，证明了NIR辅助水凝胶具有良好的抗菌能力。总之，作为伤口敷料，水凝胶的固有和光热特性相结合可提供出色的抗菌活性，并可在伤口愈合期间防止伤口感染。
3.7热响应自收缩辅助伤口闭合，机械强度，组织粘附特性和水凝胶的水蒸气透过率
成年伤口愈合缓慢且容易留下疤痕，而人类胚胎皮肤伤口可以迅速而完美地愈合而不会形成疤痕，这是因为通过快速组装的肌动蛋白电缆的收缩（如拉绳袋方式）来闭合胚胎表皮中的伤口间隙，如图所示图6a。受人类胚胎伤口收缩能力的启发，采用具有出色热响应自收缩性能的PNIPAm来影响水凝胶的自收缩能力，而水凝胶的热响应自收缩性能是生物力学方法帮助成人闭合伤口的基础（图6b）。因此，对QCS / rGO3-PDA / PNIPAm水凝胶的热响应自收缩能力进行了评估，如图6b所示。将水凝胶在37°C下放置20分钟后，水凝胶会明显收缩，在60分钟后，水凝胶收缩至不到其原始面积的一半。此外，还确定了收缩期间水凝胶的面积，并将PNIPAm水凝胶用作对照（图6c）。
图6.（a）生物力学活性水凝胶伤口敷料的设计思路和应用前景示意图。（b）QCS / rGO3-PDA / PNIPAm水凝胶的热响应自收缩图像。（c）QCS / rGO3-PDA / PNIPAm和PNIPAm水凝胶的热响应自收缩。（d）粘合强度试验的照片。比例尺：10毫米。（e）QCS / rGO3-PDA / PNIPAm和PNIPAm水凝胶的粘合强度曲线。（f）QCS / rGO3-PDA / PNIPAm水凝胶的展示促进了小鼠的伤口闭合，其中未治疗的伤口为空白组。比例尺：5毫米。（g）伤口闭合试验的伤口面积统计。（h）水凝胶热响应性自收缩促进伤口闭合的方案：红线，PNIPAm；黑色薄片，rGO-PDA；绿色接触表面，组织粘连。
3.8 水凝胶体内伤口愈合过程中的伤口收缩
经过上述评估以协助水凝胶伤口闭合后，采用体内全层皮肤缺损模型进一步评估QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝胶和QCS/rGO3-PDA/PNIPAm促进伤口闭合和愈合的能力 加载Doxy（QCS/rGO3-PDA/PNIPAm-Doxy）。如图7a和7b所示，在第3天，第7天和第14天，从对照组（Tegaderm Film），QCS/PDA/PNIPAm水凝胶，QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝胶，在整个伤口愈合期间使用QCS/rGO3-PDA/PNIPAm-Doxy水凝胶。
图7.（a）Tegaderm薄膜敷料（对照），QCS/PDA/PNIPAm，QCS/rGO3-PDA/PNIPAm和QCS/rGO3-PDA在第3天，第7天和第14天伤口区域的照片/PNIPAm-Doxy，以及每种治疗在14天内伤口床关闭的痕迹。（红色箭头）由水凝胶辅助伤口闭合引起的皮肤收缩痕迹。（b）每个组的伤口收缩。（c）通过确定羟脯氨酸来确定所有组中的胶原蛋白量。（d）在第7天统计不同处理的肉芽组织厚度。（e）第7天用于商业薄膜敷料（Tegaderm），QCS/PDA/PNIPAm水凝胶，QCS/rGO3-PDA/PNIPAm水凝胶和QCS/rGO3-PDA/PNIPAm-Doxy水凝胶的肉芽组织厚度
参考文献：
doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02823
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