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《CEJ》:具有超拉伸性、强粘附性和多种生物活性的原位融合颗粒水凝胶可用于有效的慢性伤口护理

高分子技术 凝胶技术
高分子凝胶与网络    2022-08-12    542


摘要

可以组装成颗粒状水凝胶的微凝胶已被用作促进不规则形状伤口愈合的构件。然而,目前的颗粒状水凝胶不具有粘性且不可拉伸,具有低杨氏模量和韧性,这极大地限制了它们立即密封伤口并随后为进一步组织再生提供物理支持的能力。
北京大学-黄建勇(通讯作者)团队提出了一种新颖的颗粒水凝胶原位融合策略,该策略结合了水合诱导的物理相互作用和偶联剂触发的共价键,以实现融合颗粒水凝胶(FGHs)之间的超拉伸性和强粘附性。具体来说,本文开发了Zn2+ 功能化纳米复合微凝胶 (Zn NanoM),它可以原位组装成超可拉伸和强粘合性FGHs,原位填充不规则形状的伤口,立即牢固地粘附在组织伤口上。凭借其显着的生物相容性、抗菌活性和通过持续释放 Zn2+离子对炎症反应的有效调节,开发的FGH 还可以显着加速糖尿病大鼠全层伤口模型、感染大鼠全层伤口模型的伤口愈合过程以及临床前猪全层伤口模型。该工作提出了一种原位制备高性能模块化功能水凝胶的新方法,为临床慢性伤口护理等各种生物医学应用提供了极大的便利。相关成果以“In situ fused granular hydrogels with ultrastretchability, strong adhesion, and mutli-bioactivities for efficient chronic wound care”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。


图文导读

1. Zn NanoM Zn FGH 的制备和表征:(a-d) Zn NanoM 的制备和随后形成 Zn FGH 的示意图。 (e) Zn 10 NanoM SEM 图像和元素分布图;比例尺,200 μm (f) nHAp 交联 PAA 网络的示意图。 (g) 将偶联剂添加到 Zn NanoM 后形成的 Bulk Zn 10 FGH (h) 各种 Zn FGH 的拉伸应力和 (i) 失效应变。 (j) PBS 37 ℃ 培养 21 天的各种 Zn FGH 中累积释放的 Zn2+ 浓度。


2. 各种 Zn FGH 的生物相容性、抗菌和免疫调节活性:(a)琼脂平板中菌落的图像和(b)大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的相对细菌活力。 (c) L929 细胞的 CCK-8 测定。 (d) 图像和 (e) O.D. 红细胞 (RBC) 的值。 f)免疫荧光染色和(g)巨噬细胞荧光强度的相应统计结果;比例尺,100 μm


3. 原位形成的 Zn FGH 的粘附特性: (a-c) 耦合剂诱导的 Zn FGH 强粘附的示意图。 (d) 各种 Zn FGH 的搭接剪切粘合强度。 (e) 在添加/不添加偶联剂的情况下,对猪皮的搭接剪切粘合强度作为压制 Zn 10 FGH 的函数。 (f) 无论弯曲或变形,Zn 10 FGH 和猪皮肤组织之间均未观察到分离。 (g) 图像和 (h) Zn 10 FGH 对不同器官的搭接剪切粘合强度,包括心脏、肝脏和肾脏。 (i) PBS、模拟胃液 (SGF)、模拟唾液 (SSaF)、模拟肠液 (SIF)、模拟人尿 (SHU) 和模拟汗水 (SSw) 24 小时处理后 Zn 10 FGH 键合两片猪皮肤组织的搭接剪切粘合强度。


4. 糖尿病大鼠全层伤口模型中锌 FGH 的体内评估: (a) 糖尿病大鼠全层伤口模型的过程和时间线示意图。 (b) 不同时间点不同治疗后的伤口愈合图像和 (c) 伤口闭合百分比;比例尺,1 厘米。  (d-g) F4/80(橙色)和iNOS(绿色)染色的M1巨噬细胞、F4/80(橙色)和CD206(绿色)染色的M2巨噬细胞的免疫荧光图像,以及第14天相对平均荧光值的相应统计结果;比例尺,100 μm hCD31(绿色)和DAPI(蓝色)的免疫荧光图像和(i)第14天相对平均荧光值的相应统计结果;比例尺,100μm


5. 感染大鼠全层伤口模型中 Zn FGH 的体内评价: (a) 感染大鼠全层伤口模型的过程和时间线示意图。 (b) 不同时间点不同治疗后的伤口愈合图像和 (c) 伤口闭合百分比。 (d) GFP 阳性金黄色葡萄球菌的位置;比例尺,200 μm e)琼脂平板中菌落的图像和(f)金黄色葡萄球菌的相对细菌活力。 (g) 4 IL-6 TNF-α 的基因表达。  (h) 10 天伤口切片的苏木精-伊红 (H&E) 染色;黄色箭头表示再生的毛囊;比例尺,500 μm


6. 临床前猪全层伤口模型中 Zn FGH 的体内评估:(a) 临床前猪全层伤口模型的过程和时间线示意图。 (b) 伤口愈合图像;比例尺,2.5 厘米。 (c) 不同时间点不同处理后的伤口闭合百分比、(d) 伤口深度、(e) 表皮缺损长度和 (f) 真皮缺损长度。 (g) 苏木精-伊红 (H&E) 染色和 (h) 21 天伤口切片的马松三色染色。


小结

在这项研究中,本文开发了一种Zn2+ 功能化原位融合颗粒水凝胶 (Zn FGH),用于有效的慢性伤口护理。生物活性Zn2+ 离子功能化的纳米复合微凝胶被制造为构件,然后通过水合诱导的物理相互作用和化学偶联剂引起的共价键的有效结合进行原位融合。这种原位协同融合策略使开发的FGHs具有极高的拉伸性(~1500%)、强粘附性(~114 kPa,猪皮肤组织)和高强度(~130 kPa),这更适合快速闭合可能会承受更高机械负荷或更大变形的不规则形状伤口。同时,衍生的FGHs可以实现Zn2+离子的可控缓释,具有多功能活性,可增强细胞增殖、调节炎症反应、抑制细菌感染,最终促进慢性伤口愈合。此外,基于各种动物模型的一系列体内实验,包括糖尿病大鼠全层伤口模型、感染大鼠全层伤口模型和临床前猪全层伤口模型,表明开发的 Zn FGHs 具有显着加速伤口愈合能力。这项工作不仅报道了一种适用于临床有效慢性伤口护理的新型原位颗粒水凝胶,而且为再生医学、柔性电子和软/微型机器人等各种新兴领域的模型化粘合水凝胶的制造提供了创新策略。




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