四川大学王云兵教授/张婕妤副研究员：聚苯胺基导电水凝胶用于慢性伤口愈合

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慢性伤口治疗费用昂贵，给公共卫生系统和社会带来了巨大的经济负担。大多数慢性伤口都存在感染，治疗具有挑战性。除了感染，慢性伤口治疗的另一个挑战是加速伤口愈合。目前，电刺激疗法由于其高效、低成本和安全的治疗过程，获得临床医生的青睐。然而，临床使用的电刺激设备通过刚性电极向伤口提供刺激，而刚性电极不能完全适合柔软的伤口组织。此外，电流不能刺激整个伤口区域，尤其是形状不规则的大伤口，因此，治疗效果受到局限。
四川大学生物医学工程学院/国家生物医学材料工程技术中心王云兵教授/张婕妤副研究员提出了一种基于聚苯胺的导电水凝胶结合电刺激治疗感染性慢性伤口的策略。携带高密度正电荷的掺杂聚苯胺具有良好的生物相容性和易得性，是一种很有前途的材料，但其与细菌的相互作用尚未阐明。在此，聚苯胺对革兰氏阳性菌的独特杀菌效果已得到验证，抗菌活性可能是由于与脂磷壁酸的特异性相互作用破坏革兰氏阳性细菌细胞壁而产生的。本文基于聚苯胺和大分子掺杂剂（磺化透明质酸）构建了模拟皮肤导电性的柔性水凝胶，体内实验结果表明，通过这种水凝胶进行的电刺激（ES）在促进感染性慢性伤口愈合方面优于通过分离电极进行的电刺激（临床上使用的电刺激策略）。相关工作以“Intrinsic Antibacterial and Conductive Hydrogels Based on the Distinct Bactericidal Effect of Polyaniline for Infected Chronic Wound Healing”为题，发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。论文的第一作者是博士生武璨同学，合作团队包括四川大学华西医院宁宁教授团队与成都柔电云科科技有限公司，论文受到国家自然科学基金、四川大学华西医院135项目及护理专项的支持。
作者使用了聚丙烯酰胺、聚苯胺（PANI）和磺化透明质酸制备了柔性导电水凝胶（PSP水凝胶）。该水凝胶在溶胀状态下导电率可达1.05 mS/cm，与皮肤导电率相似，满足应用电刺激的需要。同时，该水凝胶具有良好的生物安全性，可以吸收伤口处的渗出物，保持湿润环境，具有足够的力学强度来维持其在日常使用中的完整性，并保护伤口免受进一步的创伤（图1）。  图1. PS和PSP水凝胶的表征。（A）电导率，（B）溶胀率，（C）水凝胶的拉伸应力−应变曲线，（D）频率扫描和（E）应变扫描。（F） PS和PSP水凝胶拉伸和打结的照片。（G）在水凝胶浸提液中培养24小时后，检测L929成纤维细胞的细胞活力。（H）不同组L929细胞的活/死染色。
 为了评价聚苯胺的抗菌性能，作者选用了革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（铜绿假单胞菌和大肠杆菌）进行实验。实验表明，聚苯胺对革兰氏阳性菌具有抗菌能力（对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度（MIC）、最小杀菌浓度（MBC）分别为1 mg/mL、2 mg/mL；对表皮葡萄球菌的MIC、MBC分别为2 mg/mL、4 mg/mL）。但当PANI浓度增加到16 mg/mL仍无法检测到铜绿假单胞菌和大肠杆菌的MIC和MBC。对PSP水凝胶的抗菌性能进行表征，证实了PSP水凝胶对革兰氏阳性菌具有选择性杀菌能力（图2）。  图2. 水凝胶对细菌生物膜的影响 （A−D） PS和PSP水凝胶上细菌的活/死染色 （E−H）不同水凝胶上细菌的扫描电子显微镜图像。（I−L）水凝胶上附着细菌的表面密度。 扫描电子显微镜的图片显示，PSP水凝胶上的金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌出现褶皱，其中一些甚至被完全破坏（图3）。而对于铜绿假单胞菌和大肠杆菌的细菌细胞形态正常。从而推测PANI可能通过破坏革兰氏阳性菌的细胞壁来杀死革兰氏阳性菌。DPX荧光实验和红外谱图结果显示，聚苯胺与脂磷壁酸（LTA，革兰氏阳性菌细胞壁上的独特成分）存在相互作用。综上所述，PANI通过与LTA的特异性相互作用插入革兰氏阳性细菌细胞壁。插入后，聚苯胺会吸引周围的LTA从而导致表面张力的增加，最终导致细菌细胞壁起皱和随后的细菌死亡（图4）。 图3.（A，B）PS和PSP水凝胶上细菌的高倍扫描电子显微镜图像。（C）DPX浓度对DPX-LTA复合物荧光强度的影响。（D）多粘菌素B、BSA和PANI系列浓度与LTA的结合亲和力。（E）外源性LTA和PANI对金黄色葡萄球菌杀灭效率的影响。（F）聚苯胺与LTA相互作用前后的FTIR光谱。
 图4. 特异性PANI-LTA相互作用对革兰氏阳性菌的损伤。
 为了验证柔性导电水凝胶与电刺激结合的治疗策略是否可以加速感染性慢性伤口的愈合，将PSP水凝胶结合ES施用到糖尿病大鼠的全层切除伤口上。结果表明，PSP+ES组的伤口具有更好的闭合率。组织病理学分析结果表明，PSP+ES治疗可以促进伤口的再上皮化、胶原沉积和血管再生（图5）。
图5. 体内伤口愈合评估。（A）以不同方式治疗的伤口的代表性图像和（B）伤口愈合率。（C）在第14天对不同组的修复组织进行苏木精−伊红染色，（D）马森三色染色，（E）CD 31免疫组化染色。（F）上皮厚度、（G）肉芽宽度和（H）胶原沉积量。

原文链接

Can Wu, Lu Shen, Yuhui Lu, Cheng Hu, Zhen Liang, Linyu Long, Ning Ning, Jiali Chen, Yi Guo, Zeyu Yang, Xuefeng Hu, Jieyu Zhang, Yunbing Wang, Intrinsic Antibacterial and Conductive Hydrogels Based on the Distinct Bactericidal Effect of Polyaniline for Infected Chronic Wound Healing, ACS Applied Materials & Interfaces (2021).

https://doi.org/10.1021/acsami.1c14088

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