一种用于促进受感染伤口愈合的镁离子/聚多巴胺复合水凝胶|Bioactive Materials

近期，温州大学高文霞教授与四川大学何斌研究员和温州医科大学附属第一医院谢静副主任医师合作在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上联合发表研究论文：一种用于促进受感染伤口愈合的复合水凝胶。文章报道了一种复合抗菌水凝胶PDA-PAM/Mg²⁺，它显示出优异的自愈合和组织粘附性能，在动物实验中表现出优异的光热抑菌效果和促进伤口愈合与胶原蛋白沉积的能力。

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研究内容简介

皮肤是人体最大的器官，具有保护屏障的作用。受损皮肤失去屏障功能，伤口容易受到感染，加重皮肤损伤，甚至可能导致死亡。传统使用抗生素的抗菌方式会导致耐药性，无机抗菌剂还可能会引起严重的全身毒性。因此，需要新的策略来抗菌，促进伤口愈合。

利用光热试剂将光能转化为热能的光热疗法（PTT）已成为一种具有潜力的抗菌新策略。它通过各种热疗效应物理消除微生物，包括蛋白质/酶变性、细胞膜破裂、细胞空化和细胞液蒸发。PTT作为一种抗菌新方式还具有靶向选择性、深层组织/生物膜穿透、远程可控性、非侵入性、快速有效和副作用少等许多优点。值得注意的是，当光热纳米材料直接作用于创面时，局部浓度过高造成细胞毒性是不可避免的。因此，需要一种稳定的介质来均匀分散光热剂使其保持较长时间的抗菌效果。水凝胶作为三维网络结构的柔软材料，是理想的多功能伤口敷料，具有维持微环境湿润、允许水和氧气渗透、吸收过量渗出物和屏蔽微生物的优点。这些功能有利于促进成纤维细胞增殖、角质形成细胞迁移和最终的上皮再形成，对伤口愈合至关重要。然而，较弱的机械性能和差的粘附性导致大多数水凝胶应用受阻。具有可调化学和良好机械性能的多功能水凝胶有望解决水凝胶的上述局限性。

作者研究设计了一种具有自愈性、粘附性和光热效应的聚多巴胺-聚丙烯酰胺和镁离子（PDA-PAM/Mg²⁺）复合水凝胶。如Fig. 1所示，PDA通过氨基和儿茶酚基团与PAM中的氨基之间的相互作用构成凝胶网络。镁离子 (Mg²⁺)掺入水凝胶中促进细胞增殖、分化和组织再生。PDA-PAM/Mg²⁺ 中共价键和可逆非共价键赋予水凝胶良好的自愈和粘合能力。近红外辐照下水凝胶中的 PDA 表现出优异的光热效率和对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。Mg²⁺的引入提高了光热效应的光稳定性和可循环性。论文还研究了复合水凝胶体外的细胞相容性，并在伤口感染大鼠模型中评估复合水凝胶作为敷料促伤口愈合的性能。

Fig. 1. Schematic illustration for the mechanism and application of PDA-PAM/Mg2+ hydrogel in wound healing in a full-thickness defect model.

一、水凝胶的自愈合行为

自修复水凝胶可以延长水凝胶的使用寿命，有效促进伤口愈合，防止伤口感染。如Fig. 2所示，通过宏观观察、流变恢复测试来评估PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶的自修复性能。结果表明，水凝胶可以在没有任何外力作用的情况下可自然愈合，且自修复水凝胶拉伸延展性良好，无裂纹。

Fig. 2. Self-healing properties of the PDA-PAM/Mg2+ hydrogel. (a) Photographs of the self-healing process with disk-shaped hydrogel. (b) Proposed self-healing mechanism of the hydrogel via hydrogen bonds and π-π interactions. (c) The different states of hydrogels at the end of the experiments. (d) Rheological data of the hydrogel from the strain amplitude sweep test (1–10,000%) at 1 Hz frequency. (e) Rheological data of the hydrogel from alternate step strain switching from low strain to high strain.

二、水凝胶的粘附行为

良好的组织粘附性可以为细胞提供有益的生长微环境，促进伤口愈合。如Fig. 3所示，不同角度的弯折手臂，PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶均能牢固地粘附在肘关节上，表明水凝胶在动态伤口上可以提供稳定、紧密的贴合。水凝胶对各种材料表面（亲水材料、疏水材料、金属材料和有机组织）均有良好的粘附性，并可以承受自重100倍的负载。PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶优异的粘附性能表明其在便携式伤口敷料上的潜在应用能力。

Fig. 3. Adhesive properties of the PDA-PAM/Mg2+ hydrogel. (a) Adhesion effect of the hydrogel on human elbow during exercise. (b) Digital images demonstrating the macroscopic adhesion of the hydrogel to various substrates. (c) Schematic illustration of tensile-adhesion testing and adhesion mechanism of hydrogel on tissue. (d) Adhesive strengths of hydrogels on various substrates (glass, PE, Al, and skin).

三、光热效应与抗菌性能

光热效应可以刺激局部血流微循环，抑制细菌，减少炎症。如Fig. 4所示，通过在近红外激光（808 nm，2 W cm^-2）照射水凝胶样品来研究水凝胶的光热效应。结果表明，PAM水凝胶没有光热效应，含有PDA的水凝胶具有优异的光热转换效率。Mg²⁺的加入可提高光热效应的稳定性和重复性。对比研究水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的体外光热抗菌活性发现，PAM组细菌存活率均显著高于PAM-PDA组和PDA-PAM/Mg²⁺组。由于Mg²⁺的加入，PDA-PAM/Mg²⁺组显示出比PAM-PDA组更好的抗菌活性。

Fig. 4. Photothermal and antibacterial effects of the hydrogels. Infrared photothermal images of the PAM (a), PAM-PDA (b), and PDA-PAM/Mg2+ (c) under NIR laser irradiation. (d) Photothermal curves of different hydrogels. (e) Temperature changes of the two hydrogels with repeated NIR irradiations. Survival rates (f, g) and images (h, i) of S. aureus and E. coli after treatment with different hydrogels in the presence (f, h) and absence (g, i) of NIR irradiation (*p < 0.05; **p < 0.01).

四、细胞相容性

良好的细胞相容性对于水凝胶敷料至关重要。如Fig. 5所示，活/死染色和MTT结果表明，PAM、PAM-PDA和PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶具有良好的细胞相容性，可用于组织修复。细胞划痕实验研究水凝胶对细胞迁移、运动和增殖的影响，结果显示，Mg²⁺的存在有利于细胞迁移和增殖。

Fig. 5. Cytocompatibility of the hydrogels. Live/dead staining (a) and cell viability (b) of NIH/3T3 and L929 cells after treated with hydrogels for 2 d. (c) Representative images of the scratch area of L929 cells at different time points. (d) Quantitative analysis of the relative scratch area of L929 cells at different time points (*p < 0.05, **p < 0.01).

五、体内促伤口愈合和抗菌活性的评价

通过大鼠皮肤全层缺损模型评估水凝胶促进伤口愈合的效果。如Fig. 6所示，PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶组的创面愈合效果明显好于其他两组，PDA-PAM/Mg²⁺组在治疗14天后未观察到明显创面。理想的物理化学特性赋予了PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶最佳的促伤口愈合效果。

Fig. 6. Wound healing effects in vivo of the hydrogels. (a) Images of the wounds in rats following treatment with different hydrogels onto the wound area after surgical removal. (b) The wound closure at the indicated time points for each group. (c) H&E-stained histological images of the wound tissues from each treatment group (brown, red, blue, green, yellow, purple arrows represent epithelium, vessels, hair follicles, sebaceous gland, sweat glands, inflammatory cells, respectively). (d) Masson staining histological images of the regeneration of skin tissue after treated for 14 days. (e) Quantitative analysis of collagen content (%) in the different treatment groups based on Masson staining. (*p < 0.05; **p < 0.01).

综上所述，研究人员报道了一种用于伤口治疗的多功能PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶。水凝胶中的强超分子相互作用，包括氢键、配位作用和π-π堆积等相互作用使水凝胶具备优异的自修复和粘附性能。PDA的引入使水凝胶具有出色的光热性能。更重要的是，在Mg²⁺存在下情况下，水凝胶拥有了优异的热稳定性。含有PDA的水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌作用。PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶细胞相容性良好。全层皮肤缺损修复实验证明，PDA-PAM/Mg²⁺水凝胶能有效促进伤口修复。总之， PDA-PAM/Mg²⁺多功能水凝胶是一种性能优异的、可用于促进伤口愈合的伤口敷料，在未来的临床辅助治疗中具有巨大潜力。

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论文第一/通讯作者简介

第一作者：郭兆元

生物医学工程博士，毕业于四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心，现为电子科技大学博士后。研究方向为多功能水凝胶生物材料和生物降解高分子可吸收医疗器械产品研发。

通讯作者：高文霞

温州大学化学与材料工程学院教授，主持包括国家自然科学基金委青年基金、面上基金、浙江省市重点项目在内的各类科研项目多项。入选浙江省151人才第三层次、温州市551人才第二层次。主要从事有机小分子凝胶的设计、合成及性能研究、刺激响应的功能分子设计、合成及载药系统研究。

通讯作者：何斌

四川大学生物医学工程学院/国家生物医学材料工程技术研究中心研究员，博士生导师，主持包括国家优青、重点基金、863重点项目在内的各类科研项目30余项。入选教育部“新世纪优秀人才”、四川省“有突出贡献的优秀专家”、多个城市“创新创业人才”。发表200余篇SCI收录研究论文，获得授权国际/国内发明专利20余项。从事高分子生物材料/药物缓控释系统的研究和可吸收医疗器械产品的开发。

通讯作者：谢静

温州医科大学附属第一医院副主任医师，临床医学博士，浙江省口腔医学专委会委员，主持及参与国自然、浙江省及温州市各类科研项目多项。主要从事有机及高分子生物材料用于临床炎症相关疾病治疗和修复的研究。

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资助信息

该研究获 国家自然科学基金(No. 51773130、52073216和51903172)、浙江省国家自然科学基金（LY20B040004）的支持。

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原文信息

Zhaoyuan Guo, Zhuangzhuang Zhang, Nan Zhang, Wenxia Gao*, Jing Li, Yuji Pu, Bin He*, Jing Xie*. 

A Mg²⁺/polydopamine composite hydrogel for the acceleration of infected wound healing.

Bioactive Materials, 15, (2022) 203-213.

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Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。

2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。

位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。

CiteScore 2021: 14.3。