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四川大学李建树、电子科大楚合涛《ACS Nano》:化学接枝纳米酶晶胶介质用于生物液体管控和自适应智能抗菌

化学与材料科学 化学与材料科学 2022-11-23

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伤口周围过多的生物液体和感染会阻碍伤口愈合。然而,由于抗菌成分和材料结构的限制,常规抗菌伤口敷料无法同时实现有效的生物液体管控和智能治疗,容易导致伤口过度水合和耐药菌的产生。而具有良好亲水性、结构功能可设计性和连通性大孔结构的纳米酶复合晶胶介质材料在智能敷料领域具有很强的竞争力。

近日,四川大学李建树教授和电子科技大学楚合涛研究员ACS Nano上发表了题为“Chemically Grafted Nanozyme Composite Cryogels to Enhance Antibacterial and Biocompatible Performance for Bioliquid Regulation and Adaptive Bacteria Trapping”的论文。该论文设计了一种化学接枝的纳米酶复合晶胶介质(CSG-Mx)用作伤口敷料促进伤口愈合。CSG-Mx具有相互连通的大孔结构,很强的亲水性纳米酶pH响应的可逆释放/结合,以及优异的过氧化物酶和氧化酶模拟活性(生成•OH和O2•-自由基)。依赖于细菌本身的负电位感染部位pH变化对纳米酶的类酶活性和可逆释放/结合的影响CSG-Mx可实现智能适应细菌捕获与抗菌过程。CSG-Mx的细菌捕获特性能够减少死亡细菌在伤口积累并降低不良的炎症反应。此外,CSG-Mx 能够有效管控伤口周围的生物液体,避免伤口过度水合,有效促进伤口愈合
 

 
示意图1 CSG-Mx的合成与应用
 
首先,研究人员通过溶剂热法合成了Fe-MIL-88NH2纳米酶作为功能组分,通过改性壳聚糖制备了GMA官能化的双醛壳聚糖作为单体,并以丙烯酰化的PF127作为交联剂。利用希夫碱反应将Fe-MIL-88NH2纳米酶接枝到GMA官能化的双醛壳聚糖上,并在-20℃下由APS/TEMED体系引发制备Fe-MIL-88NH2纳米酶复合晶胶介质(CSG-Mx)。结果表明Fe-MIL-88NH2纳米酶具有典型的八面体形貌,且CSG-Mx具有相互连通的大孔结构。

 
图1 MOFs纳米酶和CSG-Mx的合成与结构表征
 
其次,研究人员对CSG-Mx的机械性能、水蒸气透过率以及溶胀行为进行表征分析,并且探究了CSG-Mx在反重力方向上对模拟液的运输能力以及快速吸收能力。实验结果表明CSG-Mx具有水响应形状记忆能力和良好的力学稳定性、透气性与液体运输-吸收能力。基于上述性质和水响应形状记忆性能,CSG-Mx快速吸收伤口渗出液,实现生物液体管控,有效防止伤口过度水合

 
图2 CSG-Mx的机械性能、透气性、溶胀行为、快速吸液以及形状记忆特性
 
而后,研究人员证明了CSG-Mx同时具有过氧化物酶和氧化酶双酶模拟活性,在宽pH范围内有较高的酶活性,证明了反应过程中活性产物•OHO2•-的产生,有助于CSG-Mx的潜在应用,为CSG-Mx的抗菌性能提供了保障。

 
图3 CSG-Mx过氧化物酶和氧化酶模拟酶活性以及ROS的生成评价
 
得益于壳聚糖分子链上氨基在酸性环境下的质子化效应,CSG-Mx表现出pH依赖的Zeta电位结合细菌负电性以及晶胶介质相互连通的大孔结构,CSG-Mx表现出pH依赖的智能抗菌性能。进一步研究证明了Fe-MIL-88NH2纳米酶在不同pH条件下发生的可逆释放与结合过程。酸性环境下释放出的正电Fe-MIL-88NH2纳米酶依靠静电作用“主动攻击”细菌,而中性环境下Fe-MIL-88NH2纳米酶重新与基体结合,能够有效降低材料的生物毒性。根据细菌感染程度对pH的影响,CSG-Mx可实现智能自适应细菌捕获和灭菌。

 
图4 CSG-MxZeta电位、捕获细菌和抗菌性能以及MOFs的可逆释放与结合的pH响应行为


原文链接

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06983


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