傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的過程。當(dāng)傷口表面的細(xì)菌群落被自產(chǎn)的細(xì)胞外聚合物進(jìn)一步包裹時(shí)，就會形成一個(gè)新的生態(tài)系統(tǒng)，即生物膜。生物膜成熟引起的細(xì)菌毒力和致病性增強(qiáng)，是造成傷口愈合困難的重要因素。鎵 （Ga） 是一種通常用作臨床診斷和化療劑的 IIIA 族金屬，Ga離子可以運(yùn)輸?shù)郊?xì)菌細(xì)胞中，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。山東大學(xué)陳靜研究員等提出了一種用于治療感染傷口的超分子水凝膠敷料，該敷料由小分子葛根素和生物大分子絲素蛋白的雙重自組裝產(chǎn)生，并通過希夫堿鍵合將Ga離子摻入水凝膠基質(zhì)中，使水凝膠具有優(yōu)異的止血和抗菌性能。
研究內(nèi)容
將含有Ga離子、SF和葛根素的渾濁溶液加熱并攪拌至完全溶解。冷卻后形成白色不透明水凝膠。葛根素、葛根素-SF和葛根素-SF-Ga水凝膠分別命名為Px、PxFy和PxFyGaz，其中x、y和z分別是葛根素、SF和Ga離子的濃度。TEM成像中觀察到具有納米纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的葛根素-SF-Ga水凝膠。FTIR和XRD證實(shí)了SF與葛根素在凝膠化過程中的相互作用以及二級結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。Ga離子在促進(jìn)SF無規(guī)卷曲向β片構(gòu)象轉(zhuǎn)化方面具有促進(jìn)作用。
圖1 水凝膠的制造和表征
利用透射電鏡（TEM）拍攝了水凝膠的微觀形貌，揭示了雙納米纖維共組裝形成水凝膠的動(dòng)態(tài)過程。加熱的P1F1溶液滴在支撐膜上后，SF在葛根素納米纖維的外圍仍以球形結(jié)構(gòu)存在，但其體積比單獨(dú)使用SF的體積大得多，表明發(fā)生了聚集。然而，當(dāng)Ga離子和SF一起加熱時(shí)，圓形膠束發(fā)生變形，梭形SF小分子重新排列形成棒狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步組裝形成納米纖維。加熱后，P1F1Ga0.05的SF和葛根素之間形成了交織的雙納米纖維結(jié)構(gòu)。
圖2 電荷誘導(dǎo)SF納米纖維的形成機(jī)理
使用旋轉(zhuǎn)流變法驗(yàn)證了雙納米纖維水凝膠的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。0.01–1%應(yīng)變范圍是水凝膠的線性粘彈性區(qū)域。添加Ga離子后，水凝膠的屈服應(yīng)變點(diǎn)為7.05%。Ga離子可以誘導(dǎo)交聯(lián)密度的增加，從而大大提高了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。隨著應(yīng)變值的變化，水凝膠在凝膠態(tài)和溶膠態(tài)之間呈現(xiàn)交替過渡，當(dāng)凝膠狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，G′和G“與開始時(shí)相同，表明水凝膠具有自愈能力。水凝膠的黏度隨著剪切速率的增加而降低，表明水凝膠存在剪切稀化性能和可注射潛力。
圖3 水凝膠的流變學(xué)表征
研究了葛根素在體外不同時(shí)間從超分子水凝膠中累積釋放。Ga誘導(dǎo)SF發(fā)生構(gòu)象變化，與葛根素納米纖維交織形成更穩(wěn)定的雙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加了延長釋放時(shí)間，P3F1Ga0.1在26 h時(shí)釋放率達(dá)到50%。3種凝膠在72 h的最終釋放率均超過95%，證明了藥物自組裝水凝膠基質(zhì)具有高負(fù)載量和高釋放量的優(yōu)勢。
P3F1的溶血率相當(dāng)?shù)停砻魉z中的SF改善了葛根素的溶血，使其可以安全地用于傷口治療。隨著Ga陽離子的添加，溶血率略有增加，但仍保持在<5%，處于生物材料溶血的臨界安全范圍內(nèi)。葛根素和SF均具有優(yōu)異的生物相容性，共培養(yǎng)后細(xì)胞活力與對照組無顯著差異。
有效的抗氧化劑可以維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡，這對感染傷口的修復(fù)具有重要意義。所有含葛根素的水凝膠均表現(xiàn)出優(yōu)異的自由基清除活性和ROS清除能力，表明水凝膠優(yōu)異的抗氧化性能可用作理想的抗菌敷料。
圖4 水凝膠的體外釋放、生物相容性和抗氧化效率
Ga獨(dú)特的Fe模擬特性使其能夠通過競爭與細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的Fe載體結(jié)合來抑制細(xì)菌維持生命的活動(dòng)，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。Ga離子對大腸桿菌的殺菌能力略高于金黃色葡萄球菌的殺菌能力。當(dāng)Ga離子濃度超過0.025%時(shí)，水凝膠對兩種細(xì)菌的殺菌率均接近100%，實(shí)現(xiàn)了接近100%的抗生物膜效果。當(dāng)Ga離子濃度為>0.05%時(shí)，P3F1Ga水凝膠表現(xiàn)出與慶大霉素（陽性對照）相似的顯著殺菌率和抗生物膜活性，表明其作為一種新型抗菌敷料可以作為促進(jìn)感染傷口愈合的新型抗生素替代品。
圖5 水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的體外抗菌活性
使用小鼠肝出血模型來模擬傷口急性出血的過程。將未治療的小鼠和接受商業(yè)止血敷料治療的小鼠分別設(shè)置為空白對照組和陽性對照組。與空白組的失血量為113.3 mg相比，P3F1Ga0.05水凝膠表現(xiàn)出快速止血，總失血量僅為13.3 mg。P3F1也表現(xiàn)出一些促止血特性，并具有與陽性對照組相似的止血作用，這可能歸因于水凝膠本身的物理屏障效應(yīng)。P3F1Ga0.05中的Ga離子通過激活體內(nèi)內(nèi)源性凝血途徑來實(shí)現(xiàn)止血。因此，超分子納米纖維水凝膠在物理屏障和Ga離子的雙重作用下實(shí)現(xiàn)了傷口的快速止血，這對于傷口愈合的第一階段具有重要意義。
圖6 水凝膠的止血性能
選擇P3F1Ga0.05來評價(jià)水凝膠體內(nèi)對小鼠全層金黃色葡萄球菌感染傷口模型的治療效果。建立小鼠感染模型，分別用Tegaderm（空白對照），P3，P3F1，P3F1Ga0.05和Aquacel Ag（商業(yè)敷料）治療。處理10 天后，P3F1Ga0.05處理的小鼠傷口完全閉合，Tegaderm組、P3組、P3F1組和Aquacel Ag組的閉合率分別為71.4%、83.2%、90%和95.7%；P3F1Ga0.05 和 Aquacel Ag 組傷口中的細(xì)菌菌落明顯較少，這表明P3F1Ga0.05水凝膠在傷口修復(fù)方面比市售的含Ag抗菌敷料更好。P3F1Ga0.05組中發(fā)現(xiàn)最小的疤痕面積，表明其在應(yīng)用于傷口時(shí)在恢復(fù)皮膚原始功能和形態(tài)方面的重要性。
圖7 P3F1Ga0.05 水凝膠可加速金黃色葡萄球菌感染的傷口愈合
第3天在P3F1組中觀察到明顯的新表皮延伸，這主要?dú)w因于SF對細(xì)胞的增殖和募集作用。肉芽組織的形成是隨后組織重塑和愈合的基礎(chǔ)，這促進(jìn)了傷口的快速修復(fù)。第6天各組傷口區(qū)域均形成肉芽組織，且P3F1Ga0.05組的肉芽組織最厚、最致密。在傷口愈合的后期階段， P3F1Ga0.05組的再上皮化程度最大，表皮厚度最低，最接近正常組織。
圖8 組織學(xué)評估水凝膠對感染傷口的治療效果
在第 10 天分別對每組進(jìn)行促炎標(biāo)志物 TNF-α 和抗炎標(biāo)志物 IL-4 的免疫熒光染色?？瞻讓φ战MTNF-α因子（紅色）的高表達(dá)表明，由嚴(yán)重細(xì)菌感染引起的傷口炎癥持續(xù)時(shí)間延長，使傷口愈合困難。P3F1Ga0.05水凝膠組表現(xiàn)出最低的TNF-α表達(dá)率。IL-4綠色熒光在P3F1Ga0.1水凝膠組中的高表達(dá)表明，傷口在第10天已經(jīng)退出炎癥期并進(jìn)入增殖期，證明了P3F1Ga0.1水凝膠在促進(jìn)感染傷口愈合方面具有出色的治療和免疫調(diào)節(jié)活性。
圖9 水凝膠的抗炎特性
結(jié)論
成功制備了一種具有雙納米原纖維結(jié)構(gòu)的超分子水凝膠抗菌敷料，用于治療慢性感染傷口。帶正電荷的抗菌Ga離子誘導(dǎo)SF膠束重排，SF與葛根素組裝形成雙納米纖維結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)了所得超分子水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。葛根素的天然抗氧化特性可緩解由過量ROS引起的氧化應(yīng)激，并促進(jìn)感染傷口從炎癥期向增殖期的過渡。此外，SF賦予水凝膠優(yōu)異的生物相容性，并改善了單獨(dú)使用葛根素引起的溶血反應(yīng)。制備的水凝膠具有高效的抗菌和傷口修復(fù)性能。因此，這種雙納米纖維超分子水凝膠作為一種新型抗感染敷料具有很強(qiáng)的競爭力，為感染傷口的治療提供了一種新的策略。
通訊作者簡介
陳靜，山東大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師。組建組織器官修復(fù)與再生生物材料課題組，主要研究方向?yàn)楹撬z在骨科創(chuàng)面、骨軟骨缺損、脊柱脊髓損傷等臨床疾病治療領(lǐng)域的應(yīng)用。主持國家自然科學(xué)基金等產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目20余項(xiàng)，在Chem. Soc. Rev等重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文61篇。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202400071
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