西安交通大学郭保林教授课题组：抗菌导电自愈合超分子水凝胶用于耐药菌感染的运动伤口修复

位于人体关节部位的运动伤口面临着愈合能力差、修复周期长、常规敷料易脱落等问题，而且更易受细菌侵袭造成感染从而发展为难以愈合的慢性伤口。西安交通大学郭保林课题组设计了具有良好适应性、自愈合性和组织粘附性的多功能生物活性超分子水凝胶，实现了耐药菌感染的运动伤口的高效修复。

耐药菌感染的运动伤口对伤口敷料的设计提出了更为复杂的需求。首先，由于伤口位于不停运动的部位，因此需要伤口敷料具有良好的适应性，能够在伤口进行拉伸、压缩、扭转等运动时进行相应的变形。其次，为了维持伤口处稳定的湿润环境，需要伤口敷料具有强的组织粘附性，防止在伤口运动过程中敷料从伤口处剥离。然而，具有强的组织粘附性的伤口敷料往往存在难以移除的问题，更换过程中容易造成伤口二次损伤。同时，考虑到运动伤口往往容易发生细菌感染，还应该赋予敷料固有抗菌性能，不仅可以摆脱对抗生素的依赖，还能够实现长期高效抗菌。此外，针对运动伤口自身再生能力差的问题，还需要敷料具有促进组织修复的性能，包括止血、抗氧化和导电性。

最近，西安交通大学郭保林课题组基于季铵化壳聚糖（QCS）、苯胺四聚体接枝明胶（GT-AT）和单醛基化β-环糊精（Ald-CD）制备了具有自适应性、自愈合性和组织粘附性的多功能超分子水凝胶（GT-AT/QCS/CD）用于耐药菌感染的运动伤口修复。该超分子水凝胶通过Ald-CD与QCS之间生成的动态席夫碱键及Ald-CD与GT-AT之间的主客体作用构筑了动态的交联网络，因此具有良好的自愈合性能（图1）。同时通过化学修饰的方法，在天然高分子壳聚糖和明胶上分别引入季铵盐基团和苯胺四聚体（AT），赋予水凝胶抗菌、抗氧化和导电性等多种生物学性能，用以提高超分子水凝胶促进运动伤口修复的性能。

图1  超分子水凝胶敷料的制备及应用示意图

由于具有刚性结构的苯胺四聚体（AT）会对高分子的分子间作用力产生影响，因此作者合成了不同AT接枝度的GT-AT，用以探究AT接枝度对超分子水凝胶理化性质的影响。作者分别通过流变学、对猪皮的搭接剪切试验测试了该系列超分子水凝胶的自愈合性（图2a, b）和组织粘附性（图2d, e）。其中，GT-AT10/QCS/CD和GT-AT15/QCS/CD具有高的组织粘附强度，分别为31.5 和30.9 kPa。作者进一步将水凝胶用于手指关节，以检验其用于运动伤口护理的可行性，结果显示GT-AT15/QCS/CD水凝胶表现出更加快速的自愈合性能，能够在30s内实现愈合（图2g），因此具有更高的应用潜能。此外，由于其具有的动态交联网络，该超分子水凝胶表现出良好的可注射性（图2c）和甘氨酸辅助的按需移除性能（图2f）。在使用甘氨酸溶液（100 mg/mL）处理后，GT-AT15/QCS/CD超分子水凝胶对猪皮的粘合强度从23.3 kPa下降至4.3 kPa。

图2  超分子水凝胶敷料的力学性能及其用于护理运动伤口的可行性评估

最后，在小鼠颈部区域建立的MRSA感染的运动伤口模型证实，相对于商用敷料（Tegaderm^TM）和不含有AT的超分子水凝胶（GT-AT0/QCS/CD），GT-AT15/QCS/CD超分子水凝胶能够高效杀死耐药菌，加速运动伤口闭合。进一步对术后14天内伤口组织进行组织学和免疫荧光染色分析，证实该超分子水凝胶能够通过降低炎症相关因子IL-6表达和促炎型巨噬细胞浸润，提高血管再生相关因子VEGF表达，降低伤口处的炎症反应，促进血管再生和胶原蛋白沉积，进而实现促进运动伤口的高效修复（图3）。

图3  GT-AT15/QCS/CD超分子水凝胶促进耐药菌感染的运动伤口修复

综上，该课题组制备的超分子水凝胶表现出良好的自愈合性、可注射性、组织粘附性、可移除性及多种生物学性能（抗菌、抗氧化、止血和导电性能），具有用于治疗严重感染的运动伤口的应用潜能。

详见: Rui Yu, Zhenlong Li, Guoying Pan, Baolin Guo*. Antibacterial conductive self-healable supramolecular hydrogel dressing for infected motional wound healing. Sci. China Chem., 2022, doi:10.1007/s11426-022-1322-5。本文将收录在2022 Emerging Investigator Issue中。

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通讯作者简介

郭保林 西安交通大学教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者，陕西省杰出青年基金获得者。2011年从瑞典皇家理工学院（KTH）获得高分子材料学博士学位，师从瑞典皇家工程院院士Ann-Christine Albertsson教授。主要从事生物医用高分子材料的研究，具体研究方向包括可降解导电高分子材料、多功能水凝胶、组织工程支架与再生医学、药物控制释放体系、皮肤敷料、止血材料、可穿戴器件等。以第一/通讯作者在国内外期刊发表论文120余篇，SCI引用13000余次，H指数59。授权/申请发明专利10项，目前主持省部级科研项目10项，包括国家自然科学基金委项目3项。任国家自然科学基金委函评专家和中国生物学会血液净化分会委员。任 Journal of Renewable Materials副主编，Nanomaterials编委。