国科温研院陈强/温医大沈建良CEJ：具有机械活化和ROS清除协同作用的多酚增强湿粘附水凝胶用于加速糖尿病伤口愈合

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-06 12:15

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糖尿病伤口的暴露和高糖环境使该部位产生过多的活性氧（ROS）、持续炎症和细菌感染。反之，过量的ROS可诱导氧化应激，对胶原和肌成纤维细胞造成不可逆损伤，从而降低糖尿病伤口的收缩性，使伤口长期暴露。这种伤口暴露和ROS产生的恶性循环进一步损害了糖尿病伤口的愈合能力。近年来，湿粘附水凝胶作为伤口敷料引起了广泛关注，被认为是理想的糖尿病伤口敷料。水凝胶可以很容易地覆盖伤口，避免其暴露在危险环境中，同时又能模拟细胞外基质、防止细菌感染、清除ROS、抗炎、递送药物等。然而，很少有水凝胶能牢固地粘附在湿润的糖尿病伤口处，同时还可以收缩伤口并清除其附近的ROS。

基于此，国科温州研究院陈强课题组与温州医科大学眼视光医院的沈建良团队合作开发了一种具有机械活化和ROS清除协同作用的多酚增强湿粘附水凝胶，以促进感染糖尿病伤口的愈合。该水凝胶以过硫酸钾（KPS）为引发剂，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为交联剂，在二甲基亚砜（DMSO）中通过一锅法共聚合丙烯酸（AAc）、乙烯基咪唑（VI）和单宁酸（TA）制得多酚增强湿粘附水凝胶（PAAcVI-TA）（图1）。AAc通过氢键或静电相互作用使PAAcVI-TA水凝胶具有优异的湿粘附性能，VI通过静电相互作用增强水凝胶的湿黏附并抑制其溶胀。受贻贝粘附机制的启发，在水凝胶中加入含有丰富儿茶酚基团的多酚TA，这进一步增强了水凝胶对湿组织的粘附力和韧性。更重要的是，PAAcVI-TA水凝胶优异的韧性和强大的湿组织粘附性显著增强了水凝胶的回弹性，从而使PAAcVI-TA水凝胶能够将机械控制力传递到湿皮肤并主动收缩伤口。此外，机械收缩的伤口可以通过多种途径快速修复，包括减少细菌感染、加快细胞增殖、胶原沉积、肉芽组织形成、上皮化和血管生成。同时，PAAcVI-TA水凝胶中的TA能有效清除糖尿病伤口中的ROS，抑制炎症，促进血管再生。在糖尿病大鼠伤口模型中，验证了该水凝胶通过机械活化和ROS清除协同作用来加速糖尿病伤口愈合的可行性和有效性。这种结合了机械活化和ROS清除功能的水凝胶敷料可能为有效治疗糖尿病伤口和其他形式的慢性伤口提供新的途径。相关成果以“Polyphenol-enhanced wet adhesive hydrogel with synergistic mechanical activation and ROS scavenging for accelerating diabetic wound healing”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。

图1.用于加速糖尿病伤口愈合的多酚增强湿粘附水凝胶的示意图

湿粘附水凝胶（PAAcVI-TA）通过氢键和静电相互作用对湿动物皮肤组织展现出强韧的粘附力（图2a）。采用180°剥离测试和搭接剪切测试来评估PAAcVI-TA水凝胶的粘附能和强度，180°剥离测试显示该水凝胶的粘附能可达700 J m^-2，其粘附强度为150 kPa（图2b,c）。在不同的TA含量、KPS用量、水凝胶的厚度、不同的潮湿环境、不同的pH值溶液和NaCl的浓度条件下，PAAcVI-TA水凝胶都表现出良好的湿粘附性能（图2d-i）。TA的加入通过类似于贻贝粘附机制显著增强了水凝胶的湿粘附性能，从而提高了水凝胶对湿组织界面的粘附。

图2. PAAcVI-TA水凝胶的湿粘附性能

在大鼠离体皮肤模型中，PAAcVI-TA水凝胶在单轴和双轴方向上对大鼠皮肤都有明显的收缩作用（图3a,b）。在猪的各种离体器官中，PAAcVI-TA水凝胶也展现出优异的机械活化和收缩性能，这为其通过机械收缩伤口从而促进伤口愈合奠定了良好的基础（图3c,d）。

图3. PAAcVI-TA水凝胶对离体器官的收缩作用

ROS在伤口修复中起关键作用，主要由创面自身和细菌感染产生。伤口处过多的ROS会损伤正常细胞，引发炎症反应，阻碍组织再生和修复。常见的ROS主要有H₂O₂、⋅OH和⋅O₂^-。伤口处过多的ROS会损伤细胞，引发炎症反应，妨碍组织再生和修复。研究表明，具有多个儿茶酚基团的多酚具有优异的清除ROS性能，这使得多酚类物质经常被加入到水凝胶中使其也具有清除ROS的功能。如图4所示，PAAcVI-TA水凝胶对H₂O₂、⋅OH和⋅O₂^-等自由基都展现出良好的清除性能。

图4. PAAcVI-TA水凝胶的ROS清除性能

采用CCK-8试剂盒检测PAAcVI-TA水凝胶对大鼠皮肤成纤维细胞（RS1）的细胞毒性，实验结果表明RS1细胞在多种PAAcVI-TA水凝胶条件下都保持了良好的细胞活力（图5a-c）。同时，细胞活/死染色结果也表明PAAcVI-TA水凝胶可以清除溶液中的ROS使RS1细胞保持较好的存活状态，并展现出良好的生物相容性（图5d）。此外，采用2',7'二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）评价PAAcVI-TA水凝胶对细胞内ROS的清除能力，实验结果表明PAAcVI-TA水凝胶可以有效降低细胞内ROS的含量（图5e,f）。利用Matrigel基质胶评价人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的成管行为，研究表明PAAcVI-TA水凝胶具有明显地促进HUVECs形成管状结构的性能（图5g-j）。

图5. PAAcVI-TA水凝胶的体外ROS清除和促成管性能评价

随后，建立大鼠感染糖尿病伤口模型，进一步评价PAAcVI-TA水凝胶在体内促进伤口愈合的效果（图6a）。到第14天，预拉伸的PAAcVI-TA组感染伤口几乎完全愈合，伤口愈合率高达94.2%（图6b-d）。与之相比，PBS、3M Gel组仍显示较大的伤口面积，未拉伸的PAAcVI-TA组的伤口面积相对较小，这表明预拉伸的PAAcVI-TA水凝胶可通过机械活化促进糖尿病伤口收缩和愈合。此外，H&E和Masson染色结果也表明，预拉伸的PAAcVI-TA水凝胶可以通过回弹力机械地收缩糖尿病伤口，促进肉芽组织生成，胶原蛋白沉积和再上皮化，显著加快了感染糖尿病伤口的愈合。

图6. PAAcVI-TA水凝胶促进大鼠感染糖尿病伤口愈合的效果

总之，该研究开发了一种具有机械活化和ROS清除协同作用的多酚增强湿粘附水凝胶，用于促进感染糖尿病伤口的愈合。PAAcVI-TA水凝胶通过各种非共价键的协同作用对湿组织界面具有良好的粘附性。与PAAcVI水凝胶相比，PAAcVI-TA水凝胶的拉伸断裂应力大于0.2 MPa，对生物组织的粘附能达到700 J m^-2。感染糖尿病伤口动物模型实验结果表明，预拉伸后的PAAcVI-TA水凝胶可以牢固的粘附在糖尿病大鼠皮肤伤口上，并收缩伤口，促进皮肤修复和重塑，加快再上皮形成。综上，PAAcVI-TA水凝胶可以通过收缩伤口、清除ROS、抑制炎症和促进新生血管的形成，显著加速感染糖尿病伤口的愈合，为慢性糖尿病伤口的治疗提供了一个有前景的通用策略。

国科温州研究院的副研究员游敏和河南理工大学的硕士研究生郭雅欣为论文共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、温州市基础公益性科学研究项目等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157103

来源：高分子科学前沿

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