抗生素自发现以来就广泛用于人类和动物的医疗措施。在过去几十年中，抗生素的滥用、过度使用已导致抗生素耐药菌的发展。已有研究表明，多种药物或生物活性物质共同发挥作用可引发最佳治疗反应，抗生素的组合性疗法或可有效降低耐药性疾病的发生。水凝胶是一类具有较好应用前景的药物载体，但其应用于临床尚存在一定局限性，一方面是较低的力学性能限制其承重性能，另一方面是药物在水凝胶中的负载，特别是对于疏水性药物的均匀分布性。因此，需要开发一种创新的解决方案来克服这些限制。
近日，来自瑞典皇家理工学院的迈克尔·马尔科奇教授团队开发了一种具有与人类皮肤相当的机械性能可调的双重抗生素递送水凝胶伤口敷料。团队合成了一种烯丙基官能化的超支化树状-线性-树状共聚物（HBDLD），并通过硫醇-烯点击化学反应构建了亲水性凝胶体系用于封装亲水性抗生素药物（NB），并引入疏水性纳米凝胶核（DNGs）用于封装疏水性抗生素药物环丙沙星（CIP），同时增强了杂化水凝胶的机械性能，克服了疏水性药物在凝胶网络中的均匀分布问题，实现了亲疏水药物的共同输送，在可调弹性和优异的生物相容性方面优于市售的创可贴，是一种较有潜力的抗菌伤口敷料。该研究以题为Nanogel Encapsulated Hydrogels As Advanced Wound Dressings for the Controlled Delivery of Antibiotics的论文发表在最新一期的Advanced Functional Materials杂志。
【 烯丙基封端的HBDLD、DNGs内核及混合杂化水凝胶的合成】
本研究中，作者首先利用两亲性PEG-烯丙基自组装形成胶束，TMMP作为催化剂在UV下与其发生部分交联，再引入疏水性1-己硫醇在UV下交联剩余烯基位点，从而形成DNGs。而CIP则通过疏水相互作用和氢键作用被物理截留包封在NDGs中。其次，通过双丙烯酸分子（MPA）和不同链长的羟基封端的PEG缩聚合成OH-HBDLD，利用烯丙基（PEG2K-G3、PEG6K-G3、PEG10K-G3、PEG20K-G3）对OH-HBDLD进行修饰。将上述NDGs-CIP分散在HBDLD前驱体溶液中，在UV下通过硫醇-烯点击加成反应形成杂化水凝胶网络。而NB由于对UV敏感从而均匀扩散在水凝胶中。CIP和NB的最终浓度分别为35.36和500 g mL –1。
然后，作者对上述原始水凝胶进行表征（图1）。不含DNGs的水凝胶其弹性范围随干重含量增加而增大，在40 wt%时具有最高的弹性模量14.7 KPa。为适应人体皮肤组织强度（4.5~8 KPa），筛选出PEG10K-G3-烯丙基用于制备DNGs内核。相比于原始水凝胶，DNGs杂化的水凝胶在储能模量有所增加。此外，测得上述原始水凝胶的溶胀率随PEG链长的增加而增加，PEG10K-G3-烯丙基形成的水凝胶显示出最大的溶胀率，意味着能够吸收伤口或感染部位更多的分泌物，同时能够保持与人体相适应的弹性，进一步证明PEG10K-G3-烯丙基是杂化伤口敷料的理想选择。利用DLS和SEM对DNGs进行表征，DLS测得其平均粒径为170±1.51 nm，分散指数为0.13，SEM结果显示DNGs在混合水凝胶网络中均匀分布，即有助于CIP在水凝胶中的均匀分布。另外，对杂化水凝胶的降解性进行考察，显示可通过调节水凝胶干重来确定其降解时间。随后，作者还考察了水凝胶的生物相容性（图2），结果显示不同干重和不同PEG链长的水凝胶均表现出较好的生物相容性，有利于表皮细胞的增殖，作为皮肤伤口敷料具有广阔的应用前景。
图1. 水凝胶的表征
图2. 生物相容性的表征
随后，作者对杂化水凝胶双重药物递送系统的抗菌性能进行了研究（图3）。圆盘扩散结果显示，相比于空载和单一抗生素的水凝胶系统，载有CIP（35.36 g mL –1 ）和NB（500 g mL –1 ）的PEG10K-G3水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有较好的抗菌性能，表明双重药物递送系统两种抗生素协同增强抗菌活性。同时，亲水性药物NB能够在初期快速扩散释放，抵抗伤口早期感染；而杂化水凝胶吸收伤口分泌物后发生溶胀，从而促使疏水性药物CIP通过疏水网络缓慢持续释放，杀伤伤口后期细菌。体外释放结果验证了这一理论，NB释放较快，4h内释放超过87%，随后由于溶胀引发CIP的缓慢释放，且可以通过调节凝胶干重来控制释放速率，40 wt%的PEG10K-G3水凝胶具有最密集的交联网络，48h达到最大累积释放。体外模拟皮肤细胞感染金黄色葡萄球菌的抗菌试验（图4）。结果显示即使皮肤细胞感染2 h后，该抗菌水凝胶仍能够有效杀灭细菌达99%，有望作为多药物递送系统来满足复杂的临床环境要求。
图3. 杂化水凝胶抗菌活性圆盘扩散试验及体外释放曲线
图4. 体外细胞感染测定
此外，该体系水凝胶还具有几大优势使其能够成为伤口敷料的优先考虑对象：前体溶液透明易操作，可进行滴铸成型构建多种形状以适应不同伤口；降解无毒性等。基于此，将前述抗菌水凝胶前体溶液复合到医用创可贴，经UV照射交联后获得具有抗菌活性的创可贴，其重量仅增加7.2倍。对比常规市售创可贴和一种含银抗菌创可贴，团队开发的杂化水凝胶创可贴具有明显的抗菌优势。
图5. 利用杂化水凝胶制备抗菌创可贴
图6. 不同类型创可贴的抗菌活性对比
总结：作者团队基于硫醇-烯点击化学反应制备了一种杂化水凝胶，该水凝胶体系可同时封装不同亲疏水性的抗生素药物，通过调节分子链长度及干重含量来控制凝胶机械性能和药物释放速率以适应伤口愈合窗口。该水凝胶能够高效抑菌，促进真皮细胞增殖，并具有较好的生物相容性和降解性，在水凝胶抗菌创可贴方面表现出极大的应用潜力。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202006453
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！