具有抗菌和清除活性氧能力的海绵状大孔水凝胶用于糖尿病伤口再生

研究速览

■ 近日，西南科技大学张红平副研究员团队，在国际知名期刊Advanced Healthcare Materials上发表题为“Sponge-Like Macroporous Hydrogel with Antibacterial and ROS Scavenging Capabilities for Diabetic Wound Regeneration”的研究论文。

该论文首次通过由 Ti3C2 MXene诱导的简便、快速而稳健的方法，开发了一种具有稳定大孔结构和抗膨胀性能的新型海绵状大孔水凝胶 (SM-hydrogel)。首先，Ti3C2 MXene通过其独特的氧化还原能力促进过硫酸铵（APS）分解，从而促进羟基自由基的快速产生，并由此引发SM-水凝胶的快速凝胶化。其次，APS还可以通过MXene催化分解快速产生足够的NH3和O2等气体，从而在MXene纳米片周围形成气孔结构。最终，快速成型的强交联网络锁定气孔结构，并在整个水凝胶网络中形成坚硬的连接性多孔结构。

▉  研究摘要  ▉

■ 具有柔软和湿润特性的水凝胶已被深入研究用于慢性疾病组织修复。然而，高含水量的组织工程水凝胶通常同时具有小孔隙尺寸和低防水能力，从而导致不良的手术结果。

鉴于此，西南科技大学材料与化学学院张红平副研究员团队通过一种简单、快速且稳健的方法，由Ti3C2 MXene添加剂诱导丙烯酰胺化多巴胺（MADA）修饰的聚丙烯酸水凝胶的快速凝胶化，开发了一种具有稳定的大孔结构和抗溶胀性能的新型海绵状大孔水凝胶(SM-水凝胶)。Ti3C2 MXene诱导的SM-水凝胶在高含水量下（80 %含水量）具有200-300 μm的开放大孔，表现出理想的物质渗透能力，其水/血液运输速度比无孔水凝胶高约20倍。此外，Ti3C2 MXene与聚合物链之间的强相互作用赋予SM-水凝胶优异的抗溶胀能力，有望成为同时具有大孔结构和坚韧机械性能的水凝胶。SM-水凝胶具有的多种功能，例如促进物质转运、抗菌(SMPAAM中的细菌存活率低于25%)和活性氧(ROS)清除能力(120分钟时清除率为96%)协同促进糖尿病伤口愈合(与无孔水凝胶相比，伤口愈合率在7天内从39%增加到81%)，显示了其在创伤组织工程中的巨大潜力。

图1. 海绵状大孔水凝胶体系 (SM-hydrogels)的设计策略。

▉  研究要点1  ▉

■ 作者首先通过Ti3C2 MXene促进过硫酸铵(APS)的分解反应快速生成羟基自由基引发丙烯酸(AA)快速聚合制备SMPAA水凝胶。为了进一步赋予SM-水凝胶增强的抗氧化和细胞粘附能力，在贻贝仿生化学的启发下通过AA和丙烯酰胺化多巴胺(MADA)的共聚以相同的方法获得SMPAAM。Ti3C2 MXene通过其独特的氧化还原能力促进过硫酸铵（APS）分解，从而促进羟基自由基的快速产生，并由此引发SM-水凝胶的快速凝胶化。其次，APS还可以通过MXene催化分解快速产生足够的NH3和O2等气体，从而在MXene纳米片周围形成气孔结构。最终，快速成型的强交联网络锁定气孔结构，并在整个水凝胶网络中形成坚硬的连接性多孔结构。该孔结构赋予SM-水凝胶优秀的物质传输能力。

图 2. 海绵状大孔水凝胶的快速凝胶及其微观结构的表征。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝胶的形成过程和颜色随时间变化的照片；(b) APS溶液、紫外光辐射下的APS溶液和Tx/APS（不同浓度Ti3C2 MXene和APS混合溶液，x代表Ti3C2 MXene浓度）的5,5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物(DMPO)捕获ESR光谱）；(c) PAAM和SMPAAM(1h, 24h)水凝胶的XRD光谱；(d) PAA、PAAM、SMPAA SMPAAM水凝胶的光学显微镜和扫描电子显微镜 (SEM) 图像（所有比例尺=500 μm）；(e)水凝胶的水和(f)血液渗透图像。

▉  研究要点2  ▉

■ 作者通过对比实验、分子动力学模拟揭示了SM-水凝胶的抗溶胀机理，首先，Ti3C2 MXene的加入导致在整个SM-水凝胶预聚物溶液中产生大量自由基，这使得AA和MADA能够快速共聚，并具有高度共价交联。其次，共聚物链的羧基(-COOH)和羟基(-OH)以及酰胺基(-CO-NH-)可以与Ti3C2 MXene(或其氧化产物TiO2@C)的表面封端官能团(-O，-OH，-F)相互作用，形成各种类型的氢键。第三，来自多价钛 (Ti2+、Ti3+和Ti4+)的丰富电子可以有效地促进Ti3C2 MXene (TiO2@C)与PAA或聚(AA-co-MADA)网络之间的配位反应。以上三种途径使得水凝胶网络具有高交联密度，而高的交联密度将有效提升水凝胶的抗溶胀性。

图 3. 不同水凝胶在不同条件下的溶胀特性。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝胶在不同介质下浸泡72 h的照片；(b) 72 h后不同环境中水凝胶的溶胀体积比；水凝胶在(c)去离子水、(d) 3.5 wt% NaCl、(e) PBS溶液和(f)不同pH值溶液中随时间变化的溶胀重量比；(g) PAA-PAA、PAA-Ti3C2MXene和PAA-TiO2之间相互作用的分子动力学模拟。

▉  研究要点3  ▉

■ 与传统的水凝胶相比，由于Ti3C2 MXene与水凝胶分子链之间的强相互作用，我们的SM-水凝胶即使在平衡状态下也显示出优异的机械稳定性。

图 4. 新鲜和溶胀平衡水凝胶的力学性能。(a) 将水凝胶浸入磷酸盐缓冲盐溶液 (PBS, pH=7.4，37 °C) 3天后平衡水凝胶的微观结构；(b) 压缩-松弛循环下平衡 PAA、PAAM、SMPAA 和 SMPPAM 水凝胶的光学图像。溶胀平衡的PAA和PAAM凝胶在弱力（<10 N）的压缩下断裂，而溶胀平衡SMPAA和SMPAAM凝胶在极强的力下压缩到 90% 应变几乎完全恢复；(c) 不同程度拉伸应变下溶胀平衡的 PAA、PAAM、SMPAA 和 SMPPAM 水凝胶的光学图像； 各种水凝胶在新鲜和溶胀平衡状态下的(d)压缩和 (e) 拉伸行为。

▉  研究要点4  ▉

■ Ti3C2 MXene原位氧化形成的TiO2/Ti3C2或TiO2/C异质结有助于电荷载流子的转化，其表现出比纯TiO2更高效的光催化能力。在相同的光照条件下，来自氧化Ti3C2 MXene的TiO2@C相比纯TiO2纳米粒子可以产生更多的自由基，因此SM-水凝胶表现出比搭载相同重量的TiO2纳米粒子的水凝胶更高的抗菌活性。

图 5. SM-水凝胶对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的体外抗菌活性。a) 大肠杆菌和表皮葡萄球菌菌落琼脂平板照片，SEM 图像显示与水凝胶孵育后大肠杆菌和表皮葡萄球菌的形态变化；b) 和 c) 大肠杆菌和表皮葡萄球菌菌落的相应统计数据。

▉  研究要点5 ▉

■ SMPAAM水凝胶突出的糖尿病伤口治疗能力归因于多种功能的协同作用。首先，SMPAAM水凝胶具有令人满意的生物相容性以允许细胞存活和增殖。其次，SMPAAM水凝胶的孔径(200-300 μm)大于水凝胶支架内营养物质扩散所需的最小孔径(30-40 μm)阈值，并且水凝胶的大孔结构将促进细胞的粘附和增殖，并增加血管形成。然后，SMPAAM的抗菌活性可以避免伤口组织细菌感染，并且SMPAAM水凝胶的令人满意的抗氧化能力减弱了ROS对细胞的氧化损伤(例如脂质、蛋白质和DNA氧化)。更重要的是，SMPAAM水凝胶能够在潮湿环境中长时间保持大孔和坚韧的机械强度，以抵抗外界刺激。多种功能的协同作用使得SMPAAM水凝胶在修复糖尿病皮肤伤口方面具有巨大的潜力。

图 6.SMPAAM 水凝胶对糖尿病伤口的愈合效果。 (a) SMPAAM水凝胶治疗糖尿病伤口的工艺；(b) PAA、PAAM 和 SMPAAM 水凝胶组和对照组第 0 天至第 14 天未进行水凝胶敷料处理的伤口的代表性照片，比例尺：2 mm；(c) 不同时期的伤口痕迹和伤口面积；(d) 每组新再生皮肤组织第 7 天和第 14 天的 HE 和 Masson 染色。比例尺：500 μm。

▉  研究总结  ▉

■总之，本研究证明了一种简单而新颖的快速凝胶化海绵状大孔水凝胶的制备策略，它具有创伤愈合和组织修复等多种功能。Ti3C2 MXene诱导的SM-水凝胶同时具有大孔结构(200-300微米)、抗机械疲劳性、抗溶胀和抗菌能力，多种功能的协同效应改善糖尿病伤口愈合 (伤口愈合7天时，伤口闭合率达到81%)。该研究提出的通用方法不仅解决了水凝胶在各种介质条件下的宏观/微观结构、有效性、抗机械疲劳性和耐久性等基本问题，而且可用于生物医学应用中的实际应用。该设计策略为下一代生物工程水凝胶的设计提供了见解■ 感谢作者对本文的大力支持！