江南大学任学宏教授ACS AMI：可生物降解精氨酸伪蛋白-壳聚糖抗菌水凝胶的设计及生物活性研究
细菌等病原微生物对伤口组织的感染，常常会导致伤口的溃烂，降低伤口愈合的速度和环境质量，更有甚者会导致生物机体组织的病变。目前，临床上主要使用添加抗菌剂的敷料材料来保护伤口不受细菌等病原微生物的侵害。然而，抗菌剂的流失会导致材料抗菌性能的消减，保护伤口抗感染的能力下降。因此，研发具有内在抗菌能力和抗菌持久性以及生物响应性能的敷料材料在医用伤口处理中具有十分重要的意义。
基于此，江南大学纺织科学与工程学院任学宏教授团队和康奈尔大学Chih-Chang Chu教授合作设计了一种可生物降解和生物响应性的精氨酸伪蛋白-壳聚糖抗菌水凝胶。该工作将壳聚糖和精氨酸伪蛋白两种均具有内在抗菌效果和生物降解性的生物材料结合，通过化学交联，溶剂置换等方法得到了精氨酸伪蛋白-壳聚糖抗菌水凝胶，如图1所示：
图1 CS-GMA/Arg-PEUU水凝胶的制备示意图
研究发现CS-GMA/Arg-PEUU复合水凝胶具有较高的吸水溶胀性能和pH响应性，适用于在复杂的伤口环境中对细胞信号分子和蛋白质等转运。CS-GMA/Arg-PEUU复合水凝胶具有更优异的酶促降解性能，在溶菌酶的存在下10天内降解率可达到52.16%-54.99%。该研究中复合水凝胶具有刺激巨噬细胞产生NO和释放TNF-α等生物因子功能，来调节巨噬细胞启动炎症活性，从而增强炎症和对细菌感染的免疫力，有利于伤口的愈合，使得该水凝胶应用于伤口敷料方面的具有大优势。复合水凝胶对红细胞、NIH-3T3成纤维细胞和人血管内皮细胞居于良好的细胞相容性。
图2 CS-GMA/Arg-PEUU复合水凝胶的(A)不同pH值下的溶胀性能,(B)体外酶降解性能；(C)巨噬细胞NO产量和 (D)TNF-α释放
CS-GMA/Arg-PEUU复合水凝胶抗菌效果较单一组分水凝胶的抗菌效果大大提升，复合水凝胶可以分别灭活91.81%的大肠杆菌和85.59%的金黄色葡萄球菌，显示出了更好的抗菌性能，并且随着Arg-PEUU组分的增加，抗菌性能提升（图3）。研究进一步发现，CS-GMA和CS-GMA/Arg-PEUU水凝胶在接触细菌后具有持续的抗菌效果，这种持续性有利于在伤口愈合过程中预防感染。
图3 CS-GMA和CS-GMA/Arg-PEUU水凝胶的抗菌性能(A)定性抗菌效果，(B)定量抗菌性能；水凝胶对(C)大肠杆菌和(D)金黄色葡萄球菌的抗菌动力学分析
该研究的最大意义在于将壳聚糖和精氨酸伪蛋白生物材料的优点结合成一个整体，研发出一类具有内在抗菌效果、可生物降解的生物响应性精氨酸伪蛋白-壳聚糖多功能的水凝胶材料，为抗菌敷料材料的设计及研究提供了借鉴意义。
研究成果以“Development of Inherently Antibacterial, Biodegradable, and Biologically Active Chitosan/Pseudo-Protein Hybrid Hydrogels as Biofunctional Wound Dressings” 为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces（2021, 13, 14688-14699）上。论文的通讯作者是江南大学纺织科学与工程学院任学宏教授和康奈尔大学Chih-Chang Chu教授，论文第一作者为江南大学纺织科学与工程学院2017级博士研究生殷茂力。上述研究得到了江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX18_1833）、国家留学基金委和康奈尔大学伍文森基金会的资助和支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c21680
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