ACS Appl. Mater. Interfaces |抗菌、可降解的壳聚糖/拟蛋白复合水凝胶

大家好，今天给大家分享一篇最近发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上的文章，题为：Development of Inherently Antibacterial, Biodegradable, and Biologically Active Chitosan/ Pseudo-Protein Hybrid Hydrogels as Biofunctional Wound Dressings。本文的通讯作者是来自江南大学的任学宏教授和来自康奈尔大学的Chih-Chang Chu教授。

在全球范围内，有数以百万计的患者因手术创伤、烧伤、烫伤和日常体育活动所造成的各种皮肤伤口而遭受痛苦，这些皮肤伤口很容易细菌感染，从而发炎溃烂和影响伤口愈合。因此，研究人员开发了许多伤口敷料，例如电纺纳米纤维、海绵和水凝胶，来保护和促进伤口愈合。在各种伤口敷料中，水凝胶由于其能够吸收伤口渗出液、保持伤口湿润以及促进伤口愈合的功能，受到了最广泛的关注。

作为伤口敷料，一个重要的条件是需要具有一定的抗菌性来避免伤口感染，传统的抗菌敷料一般采用直接掺入抗菌剂的方式，一方面由于使用过程中抗菌剂会不断渗出导致后期失去抗菌性能，另一方面某些纳米无机金属抗菌剂具有一定的细胞毒性。因此，采用本身就具有抗菌性的生物材料来制备伤口敷料具有广阔的应用前景。壳聚糖就是这样一类可生物降解的天然抗菌聚合物，具有良好的生物相容性、非抗原性和止血活性，可以避免伤口的微生物感染并促进细胞附着和增殖，从而促进组织再生。

除此以外，拟蛋白质生物材料，作为一种新型的具有生物活性的可生物降解氨基酸(包括基于极性Arg，Lys，Ser，Asp，Glu和非极性Phe，Leu，Gly，Ala，Val，Met的聚酯/酰胺/尿素/氨酯)，同时具有蛋白质和非蛋白质特性，能够减弱炎症反应，促进细胞生长和伤口愈合。其中，精氨酸基聚酯脲尿烷(Arg-PEUU)由于其独特的胍基侧基，在聚合反应中具有强大的阳离子性质以及在聚合过程中主链上具有可水解的酯键，增强了抗菌和可生物降解性。

本文中，作者开发了一种基于Arg PEUU和甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的壳聚糖(CS-GMA)的新型阳离子可生物降解水凝胶。如图1 所示，作者将两者材料溶于DMSO中并置于80℃下反应4小时，利用CS-GMA上的甲基丙烯酸酯与ArgPEUU上的不饱和双键进行交联，得到有机凝胶，接着通过碱溶液脱氢和去离子水的透析浸泡，去除有机溶剂得到了水凝胶，并在室温下能得到干燥状态的凝胶。

图1. CS-GMA/Arg-PEUU混合水凝胶的制备示意图。 

得到的水凝胶呈现出清晰的三维微孔网络结构，且杂化水凝胶具有更小的孔径结构(图2)，吸水能力强。其溶血活性测试，MTT分析和活/死分析，均表明它们对红细胞，NIH-3T3成纤维细胞和人血管内皮细胞没有细胞毒性，具有良好的细胞相容性。此外，这些杂化水凝胶可通过激活RAW 264.7巨噬细胞来提高产生的NO和TNF-α的释放，从而增强其抗菌生物学响应。

图2. A) CS-GMA水凝胶; B) CS-GMA/ Arg-PEUU 3/1; C) 2/1杂化水凝胶SEM图像；D-F) 对应的孔径分布。 

抗菌特性测试结果表明，虽然CS-GMA和Arg-PEUU本身都具有天然的抗菌性，但随着Arg-PEUU含量的升高，抗菌性能也随之提升，其中CS-GMA 与Arg-PEUU含量为2:1时显示出最好的抗菌效果，消除了91.81％的大肠杆菌和85.59％的金黄色葡萄球菌。并且，所有水凝胶在接入菌后的12小时内均显示出持久的抗菌性能(图3C&D)，这种持久杀伤性对于防止愈合时的感染是非常有利的。

图3. CS-GMA和CS-GMA / Arg-PEUU杂化水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌特性(12h)。A) 定量杀生物效力; B) 计数板结果; C) 大肠杆菌& D) 金黄色葡萄球菌的抗菌动力学分析。

综上所述，作者开发了一种基于精氨酸基聚酯脲尿烷(Arg PEUU)和甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的壳聚糖(CS-GMA)的新型阳离子可生物降解水凝胶。该凝胶细胞毒性低，且具有出色的天然抗菌活性，可用于加速伤口的愈合，在伤口敷料领域具有良好的应用前景。

作者:HYH    审校: LXY

Yin, M., et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 14688−14699

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c21680