上海交大陈玉洁/杨秩《ACS Nano》：机械活性的水凝胶创可贴问世
由于潮湿的环境和频繁的运动，动态的全层皮肤伤口愈合仍然是一个复杂的问题。近年来，多功能水凝胶在创伤修复中有很大的应用前景。然而，传统的水凝胶并不能驱动伤口动态闭合。受胚胎创伤主动闭合的启发，他们构建了一种结构类似创可贴的双层热敏机械活性（DTM）水凝胶。通过“多重氢键簇”独特的“负载分担”效应和粘合密度的增加，使水凝胶与生物组织紧密粘合。由温度触发的收缩力迅速传递到伤口边缘，以抵抗外部机械力并驱动伤口闭合，可以有效避免对周围健康组织的损伤，并减少缝合线、缝合钉或夹子造成的疤痕、感染和炎症等风险。在体内，这种水凝胶绷带通过促进胶原沉积、促进血管生成和加速伤口再上皮化，主动促进全层皮肤缺损伤口的修复。这种机械活性生物方法将为关节创伤管理提供一种简便的策略，并在组织重塑方面显示出一定的应用潜力。
近日，上海交通大学材料科学与工程学院陈玉洁副研究员和上海交通大学医学院附属第九人民医院杨秩副教授在《ACS Nano》上发表题为“Mechanoactive Nanocomposite Hydrogel to Accelerate Wound Repair in Movable Parts”的原创性研究论文。文章的第一作者是上海交通大学材料科学与工程学院的博士生蔡超和上海交通大学医学院附属第九人民医院的博士生朱慧敏。该团队针对关节处动态伤口难愈合的问题，受胚胎创伤愈合和商用创可贴结构的启发，提出了一种抵抗动态机械张力的伤口修复策略，制备了一种双层结构的温敏水凝胶创可贴，实现伤口的主动闭合（图1）。
图1 (A) 受胚胎伤口主动收缩启发的机械活性敷料示意图。(B) DTM水凝胶加速动态和静态伤口收缩和愈合的示意图。
【体外收缩效果评估】
将前体溶液倒入直径为3.5 cm的圆形皿中，聚合形成水凝胶。拍摄了37 °C下水凝胶的收缩图像（图2A），并对不同时间水凝胶收缩率的变化进行了量化（图2B）。结果表明，水凝胶在最初的1 h内显著收缩，此后，收缩过程减缓，直至最大收缩率达到43.3%。这种热敏收缩性对伤口闭合是有利的。如图2C所示，水凝胶对皮肤和肌肉组织的粘附力分别为1.044 N、0.778 N，对皮肤和肌肉组织的粘附强度分别为3.56 kPa、2.57 kPa （图2D）。此外，水凝胶对新鲜的组织表现出良好的粘附性（图2E），DTM水凝胶不会从猪皮肤组织上脱落，无论弯曲、扭曲，甚至在水下冲洗（图2F）。接下来，他们在体外探索了热响应性粘合剂DTM水凝胶在伤口闭合中的作用。他们将DTM水凝胶放置在圆形缺损的大鼠皮肤上来模拟全层皮肤伤口（图2G）。试样在37 ℃下放置1小时，然后用Image J测量收缩前后的伤口大小。收缩前的平均伤口面积为5.59 ± 0.17 cm2，收缩后为2.82 ± 0.19 cm2（图2H）。体外实验结果表明，水凝胶对皮肤上的伤口边缘施加收缩应变来加速伤口闭合。
图2 （A）双面水凝胶在37 °C下收缩不同时间的照片。（B）37 °C下双面水凝胶的收缩率。水凝胶对皮肤和肌肉的粘附力（C）和粘附强度（D）。（E）DTM水凝胶粘附在不同潮湿的新鲜生物组织（包括心脏、肝脏、肌肉和肺）上的照片。(F)照片说明了水凝胶对猪皮肤的粘附能力和机械顺应性。水凝胶在弯曲、扭曲，甚至在水冲洗的情况下都能紧紧地粘在猪的皮肤上，没有脱落或断裂。(G)水凝胶使伤口收缩的体外测试。(H）水凝胶处理前后的伤口大小。
【体内伤口修复效果评估】
在小鼠背部做了一个长度为1.5 cm的全厚切口，以评估水凝胶用于非侵入性伤口闭合的可行性。术后24小时，三组的伤口显示出不同的收缩表象（图3A）。水凝胶组表现出明显的伤口收缩，剩余宽度为12.64%（图3B）。然而，对照组和纱布组的收缩程度很小，剩余宽度分别为91.83%和98.88%。此外，我们在大鼠背部和颈部分别建立直径15 mm和直径为8 mm的全层皮肤切除伤口，以验证水凝胶在体内的伤口愈合效率和组织再生效果。两周后，伤口尺寸测量显示，与其他两组（纱布附件和空白对照）相比，使用DTM水凝胶的伤口闭合情况有明显改善（图3C）。术后两周收集组织进行H&E和Masson染色分析，以进一步评估伤口愈合的程度以及炎症和肉芽组织的水平。可以观察到水凝胶组的毛囊再生明显（图3D）。水凝胶组的伤口愈合效果最好，伤口长度最短（2.2 ± 0.85 mm，图3E），表皮结构更完整，可以看到很多毛囊结构（10.33 ± 0.58，图3F）。而纱布组和对照组的愈合效果较差，尤其是对照组，伤口长度仍为7.20 ± 1.14 mm，几乎看不到毛囊。结合Masson染色，可以观察到水凝胶组有密集的胶原蛋白沉积。
图3 背部伤口的愈合效果。(A）三组（对照组、纱布组、水凝胶组）伤口经过24小时的不同处理后的照片。(B)伤口宽度的百分比值。(C)水凝胶组、纱布组和对照组术后立即和两周的背侧伤口的照片。(D)各组伤口组织的H&E和Masson染色。黑色箭头表示再生的毛囊。双箭头虚线表示伤口长度。(E)14天后三组背部伤口长度的量化。(F)不同组别中修复区域的新毛囊数量的定量分析。
【小结】
本研究为克服传统水凝胶敷料在动态伤口治疗中的不足，受胚胎伤口主动闭合的启发，构建了集良好的伸展性、自愈性、湿组织粘附性、抵抗外部机械力、抗菌和镇痛功能于一体的梯度热敏双面结构的水凝胶。值得注意的是，双面热敏特性可以促进伤口闭合，防止皮肤收缩或生理活动引起的伤口过度紧张。总之，这种设计将为动态伤口的机械化管理创造一个有意义的范式。
论文信息
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07483
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