西安交大郭保林教授团队 Nat. Protoc.：在用于组织修复的物理动态双网络水凝胶制备方法上取得新进展

点击上方“蓝字” 一键订阅

伤口愈合是一个复杂的动态过程，多种因素都会引起愈合过程的中断并形成慢性伤口，因此要求理想的伤口敷料具有合适的机械性能、自愈性能、粘合能力、抗菌特性以及按需移除等多种特性。而过去十年中报道的功能单一的水凝胶敷料难以满足复杂交错的愈合需求。2017年，西安交通大学郭保林教授团队提出了同时具备多种可调功能的智能水凝胶概念，并基于前期经验制备了一系列单网络多功能水凝胶伤口敷料。但单网络水凝胶的机械强度不足以应对具有复杂运动需求的伤口，因此开发具有更高机械韧性的水凝胶敷料是伤口敷料发展的重要研究方向。

受龚剑萍等人报道的双网络水凝胶策略的启发，郭保林教授团队设计并开发了一种物理动态双网络水凝胶的通用制备方法，克服了单网络水凝胶机械强度不足的缺点，并拓展了其作为伤口愈合敷料、生物粘合剂和止血剂的具体应用。此外，还提供了一些具体的表征方法来验证物理动态双网络水凝胶在各种应用类型中所需具备的性能。上述工作以“Physical dynamic double-network hydrogels as dressings to facilitate tissue repair”为题，在自然旗下子刊《Nature Protocols》上发表。文章通讯作者为西安交通大学郭保林教授。

本文亮点

1.该文章将脲基嘧啶酮的多重氢键与Fe³⁺和邻苯二酚之间的金属配位相互作用结合，利用两种物理相互作用开发了具有较高机械强度和动态性能的双网络交联快速自愈水凝胶的制备新方法。

2.物理动态双网络水凝胶具有快速的自愈特性、高机械强度，并且可以根据温度、pH值和近红外光照等条件进行调节，实现按需移除。当用作敷料时，水凝胶可促进体内组织修复。

文章介绍了物理双网络水凝胶的逐步合成，其中脲基嘧啶酮改性明胶（GTU）的氢键、Fe³⁺与聚（甘油癸二酸酯）-共-聚乙二醇-共聚-邻苯二酚（PEGSD）之间的配位反应为水凝胶提供了自愈合、pH响应、组织粘附、抗氧化、光热和抗菌特性，并且可以实现按需移除。然后解释了如何对用作伤口敷料的水凝胶进行物理、化学和生物学表征，还概述了如何在体内使用双网络水凝胶作为伤口敷料或止血剂。该双网络水凝胶也具有应用于其他多种应用的潜力，例如组织工程支架、细胞/药物输送系统或用于监测生理和病理参数的柔性可穿戴设备等。

Ⅰ 物理动态双网络水凝胶的理化性质

通过对PEGSD及GTU聚合物进行了核磁共振氢谱、红外光谱及紫外可见光谱的表征，证明聚合物的成功合成（图2）。物理动态双网络水凝胶具有良好的压缩和拉伸性能，并呈现出由不同交联密度导致的孔隙率以及溶胀行为的不同（图3）。

图1. PEGSD/GTU水凝胶制备示意图。a,b, PEGSD预聚物的合成。c, UPy-HDI的合成。d, GTU的合成。e, PEGSD/GTU水凝胶的制备，以及水凝胶网络中物理双动态交联示意图。

图2. 物理双网络水凝胶的性质。a, PEGSD2/GTU5.0水凝胶图片。b, PEGSD2/GTU5.0水凝胶的压缩状态。c, PEGSD2/GTU5.0水凝胶的拉伸状态。d, PEGSD2、PEGSD2/GT、PEGSD3/GTU2.5、PEGSD2/GTU5.0、PEGSD2/GTU7.5水凝胶溶胀前后的SEM图像，比例尺，300µm。e, 不同水凝胶在PBS中达到溶胀平衡时的溶胀率。f，通过16G针头注射PEGSD2/GTU5.0水凝胶的图像。g，“XJTU”纹理，由16G针头注射的水凝胶书写。

物理动态双网络水凝胶的可注射和自愈合行为有利于对伤口形状以及复杂运动的适应，且在外力破坏的情况下可延长其使用寿命。由于凝胶的两种物理动态网络都能在水凝胶变形过程中参与能量耗散，并通过可逆键“缔合-解离”机制实现良好的宏观和微观自愈合性能（图3）。

图3. PEGSD2/GTU5.0水凝胶的自愈合行为。a, 将PEGSD2/GTU5.0水凝胶在室温下切割并愈合在一起，愈合后的水凝胶具有良好的粘附性能和机械强度，可承受6g的离心管。b, PEGSD2/GUT5.0水凝胶的热触发愈合行为。在37℃下，水凝胶在12分钟内愈合。c, 近红外照射触发的水凝胶愈合行为，在45s内愈合。d，水凝胶在37℃下的储存模量和损失模量。e, 水凝胶在流变性能温度扫描试验中的储存模量和损失模量。f, PEGSD2/GUT5.0水凝胶在应变振幅扫描下(0.1% - 1000%)的储存模量和损失模量。g, PEGSD2/GTU5.0水凝胶的连续阶跃应变测试结果。高应变为250%，低应变为1%。比例尺，1厘米。

Ⅱ 物理动态双网络水凝胶的光热抗菌性能评估

抗菌特性对组织的修复至关重要。由于邻苯二酚与Fe³⁺的配位作用，该凝胶表现出良好的光热抗菌特性（图5）。

图4. 水凝胶光热抗菌结果。a, 光强为1.4 W/cm²时水凝胶和水凝胶前驱体共聚物溶液的温度变化。b, 光强为0.6、1.4和2.3 W/cm²时PEGSD2/GTU5.0的∆T-NIR辐照时间曲线。c, 10wt%的明胶溶液、10wt% GTU5.0溶液、15wt% PEGSD2溶液、PEGSD2水凝胶、PEGSD2/GT水凝胶和PEGSD2/GTU5.0水凝胶在光强度为1.4 W/cm²的近红外照射10分钟后的热量图(i-vi)和PEGSD2/GTU5.0水凝胶在光强度为0.6 W/cm²(vii)和2.3 W/cm²(viii)的热量图。d, e, PEGSD2/GTU5.0和PBS组暴露于近红外光照(1.4 W/cm²)不同时间后对大肠杆菌(d)和金黄色葡萄球菌(e)的杀菌效果-照射时间曲线。f, PEGSD2/GTU5.0(ii和iv)和PBS(i和iii)组分别暴露在近红外光照射(1.4 W/cm²)下0、1、3、5和10分钟后存活的大肠杆菌(i和ii)和金黄色葡萄球菌(iii和iv)的照片。

Ⅲ 物理动态双网络水凝胶用作伤口敷料的潜力

物理动态双网络水凝胶良好的粘附特性可以更好地密封伤口（图5a, b），而其在近红外光热和pH响应下展现出的可移除特性有利于水凝胶敷料的按需无创及无痛移除（图5c, d）。良好的抗氧化性能（图5a, b）及细胞相容性（图7c）更加有利于伤口的愈合进程。

图5. 水凝胶的抗氧化和按需移除。a, 不同浓度水凝胶对稳定自由基DPPH•的清除效率。**P<0.01，***P<0.001。b, 空白、156µg/mL GTU5.0和浓度为39到156 µg/mL的水凝胶分散液的DPPH•紫外可见光谱。c, 近红外光照射下PEGSD2/ GTU5.0水凝胶的凝胶-溶胶转变。d, PEGSD2/GTU5.0水凝胶在37°C和45°C的2%醋酸溶液中浸泡1 min、5 min、10 min、15 min、20 min和30 min的照片。

图6. 水凝胶的组织粘附和生物相容性。a, 水凝胶在塑料管(14 g)、玻璃管(54 g)和金属重物(200 g)上的粘附试验照片。b, 水凝胶在猪皮上的粘附强度。c, 不同水凝胶处理24 h后，用Alamar blue法测定细胞活力。TCP为未经水凝胶处理的对照组。

Ⅳ 物理动态双网络水凝胶用做伤口愈合敷料、组织粘合剂和止血剂的评估

物理动态双网络水凝胶表现出良好的伤口愈合促进效果（图7），有利于皮肤伤口闭合及愈合（图8），并能够有效降低兔耳股动脉的出血时间和出血量（图9）。

图7. 物理双网络水凝胶用于伤口愈合。a, 每个水凝胶组5到15天小鼠伤口愈合的代表性照片。b, 不同组在不同天数的伤口收缩。c, 不同组在第15天的再生皮肤创面的组织形态学评价。*P<0.05。

图8. 物理双网络水凝胶用于组织粘附。a, 术后大鼠切口伤口代表性照片。b,处理14天后愈合皮肤的相对抗拉强度。c, H&E染色代表性图片。

图9. 水凝胶止血剂在兔耳动脉出血模型中的止血效果。a, b, 兔耳动脉出血模型中的出血量(a)和止血时间(b)。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41596-023-00878-9

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多