上海交通大学王贤松ACS Nano：抗菌水凝胶，可吸收渗出液，有效促进烧伤创面愈合！

烧伤是世界范围内最常见的创伤原因之一。缩短深度烧伤创面的愈合时间一直是一大挑战。传统的敷料不仅需要漫长的医疗程序，还会给患者带来难以忍受的疼痛和二次伤害。在这项研究中，上海交通大学王贤松/深圳大学医学院黄鹏开发了一种含有姜黄素镁多酚网络的渗出物吸收和抗菌水凝胶(Cur-Mg@PP)来促进烧伤创面的愈合。该凝胶由ε-聚L-赖氨酸(ε-PLL)/聚合物聚(γ-谷氨酸)(γ-PGA)水凝胶(PP)和姜黄素镁多酚网络(Cur-Mg)组成。由于ε-PLL和γ-PGA的强吸水性能，Cur-Mg@PP粉末可以快速吸收伤口渗出物并转化为湿润而粘稠的水凝胶，从而释放镁离子(Mg2+)和姜黄素(Cur)等有效载荷。释放的镁离子和Cur在镇痛、抗氧化、抗炎、血管生成和组织再生方面具有良好的治疗效果。该发现为促进烧伤创面愈合提供了一种策略。该研究以题为“Exudate absorbing and antibacterial hydrogel integrated with multifunctional curcumin-loaded magnesium polyphenol network for facilitating burn wound healing”的论文发表在《ACS Nano》上。

该研究开发了一种结合姜黄素镁多酚网络的渗出物吸收和抗菌水凝胶(Cur-Mg@PP)以促进烧伤创面愈合(方案1)。姜黄素与镁离子相互作用形成了水溶性镁多酚网络(Cur-Mg)，而杂化PP粉末是通过强离子键形成的。它继承了γ-PGA和εPLL的吸水和抗菌性能。放置在伤口处后，Cur-Mg@PP粉末迅速吸收伤口渗出物，并转化为湿性粘附性水凝胶。此外，Cur-Mg@PP还具有良好的形态可塑性和粘结强度，适合烧伤情况。此外，该多功能Cur-Mg@PP粉末还能释放治疗性Cur-Mg。Cur-Mg@PP缓控释药具有良好的抗氧化、抗炎、止痛等治疗效果，而镁多酚网络结构提高了Cur的生物相容性和稳定性。同时，镁离子也缓慢地从Cur-Mg中释放出来，以促进炎症的减轻和血管的形成。用Cur-Mg@PP胶粘剂成功封闭创面，释放的Cur和镁离子在体内外均有促进创面愈合的作用。

方案 1.渗出液吸收抗菌水凝胶与多功能姜黄素负载镁多酚网络(Cur-Mg@PP)相结合促进烧伤创面愈合的示意图

【Cur-Mg的制备和表征】

采用水热法合成了Cur-Mg。它是一种以镁离子为结点，以Cur为骨架的多孔材料,且Cur-Mg具有良好的稳定性。通过在高H2O2环境中与不同材料共培养细胞来评价Cur-Mg的抗氧化作用。由于Cur稳定性较低，其抗氧化效果只能持续1天，而Cur-Mg则大大提高了Cur的稳定性，从而可以作为抗氧化剂发挥几天的作用。此外，还证明了Cur-Mg的生物利用度优于Cur，因为更好的水溶性意味着更好的生物利用度。综上所述，该研究通过应用−镁有机微球成功地制备了Cur-Mg，并极大地提高了Cur的稳定性和生物利用度。

图 1.Cur-Mg的制备和表征

【Cur-Mg@PP水凝胶的合成与表征】

γ-PGA是带负电荷的酸性大分子，而ε-PLL是带正电荷的碱性聚合物。阴离子和阳离子通过离子之间的物理相互作用相互吸引并紧密结合；因此，可以获得粘附性水凝胶。粘合剂水凝胶是通过冷冻干燥制成的，然后研磨成白色PP粉末。冷冻干燥后的PP和Cur-Mg@PP的微观结构均为多孔结构。通过加入水或磷酸盐缓冲盐水(PBS)，将制得的PP粉末快速转化为水凝胶。当将PP水凝胶和Cur-Mg@PP水凝胶放在一起时，可以观察到它们具有良好的粘附性和自愈性。也就是说，PP和Cur-Mg@PP粉末能够吸水并形成块状水凝胶，因此可以立即利用。此外，PP粉末可以附着在不同的潮湿组织上，如心脏、肺、胰腺、肾脏、肝脏和皮肤。同时，还测试了Cur-Mg@PP水凝胶的触变行为，证明了其自愈和可注射性能，适用于复杂几何形状的伤口。综上所述，成功制备了Cur-Mg@PP水凝胶，该水凝胶具有优异的保水性、湿粘性和自愈性。

图2.PP和Cur-Mg@PP水凝胶的制备和性能

【PP和Cur-Mg@PP水凝胶的特性】

为了证明 Cur-Mg@PP 粉末吸收渗出液的能力，该研究对Cur-Mg@PP粉末进行了吸湿性研究。结果表明，Cur-Mg@PP粉末的吸湿性略高于PP粉末，并且两者的吸湿性均在220分钟时趋于平稳。此外，还研究了PP粉末或Cur-Mg@PP粉末的溶胀比，Cur-Mg@PP的溶胀比略低于PP。结果表明，Cur-Mg的添加促进了γ-PGA和ε-PLL的更紧密连接。PP和Cur-Mg@PP粉末出色的吸湿性和水合作用提供了湿润的环境，通过吸收多余的伤口渗出物来促进伤口的愈合。此外，研究了水凝胶的降解性，发现由于Cur-Mg的添加增强了凝胶的连接，Cur-Mg@PP比PP更稳定。第20天，Cur-Mg@PP和PP水凝胶的降解率分别为48.55%和33.40%。Cur-Mg@PP的可生物降解特性可防止反复更换敷料引起的疼痛和二次损伤。Cur-Mg@PP水凝胶的结构稳定性使其能够在治疗过程中保持伤口保护。为了表征水凝胶的粘合性，对γ-PGA、PLL和PP粘合剂进行了搭接剪切、拉伸和剥离测试。结果表明，γ-PGA与ε-PLL的组合显着提高了PP的力学性能。同时，Cur-Mg@PP水凝胶具有良好的粘弹性。进行了Cur-Mg@ PP水凝胶中Cur-Mg的释放曲线。结果显示，Cur-Mg的释放浓度从第1 天到第2天达到峰值，并在第3天逐渐下降，直至第7天达到稳定水平。因此，Cur-Mg@PP的应用实现了Cur-Mg的缓释和持续给药。

图3.PP和Cur-Mg@PP水凝胶的特性

【Cur-Mg@PP的抗菌活性】

严重烧伤通常会出现免疫抑制状态，使患者容易出现感染性并发症。根据以往的研究，Cur和ε-PLL具有良好的抗菌活性。金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌是与烧伤感染相关的常见细菌，因此通过纸片扩散测定在这些细菌中测试了Cur-Mg@PP的抗菌作用。结果表明，与单独使用PP相比，Cur-Mg@PP的抗菌活性在Cur-Mg存在下显着增强，并且PP 和Cur-Mg的组合导致抗菌活性增强。Cur-Mg@PP对革兰氏阴性杆菌和革兰氏阳性球菌表现出良好的治疗效果，表明其具有广谱抗菌作用。

图4.Cur-Mg、PP和Cur-Mg@PP的抗菌活性

【Cur-Mg和Cur-Mg@PP水凝胶的体外细胞毒性以及抗氧化和抗炎功效】

为了研究Cur-Mg的细胞毒性，进行了CCK-8测定。结果表明，PP和Cur-Mg@PP无细胞毒性，具有较高的生物相容性。Cur是一种众所周知的抗氧化剂，用于合成Cur-Mg纳米粒子的Cur的生物活性有待证实。应用CCK-8测定法通过将细胞与不同浓度的Cur-Mg和 H2O2共培养来检查细胞活力，以验证Cur-Mg的抗氧化作用。Cur-Mg和Cur-Mg@PP组通过抑制三种炎症基因的表达表现出了最佳的治疗效果。综上所述，Cur-Mg和Cur-Mg@PP具有优异的抗炎活性。

图5.Cur-Mg@PP的体外细胞毒性和抗氧化和抗炎功效

【Cur-Mg和Cur-Mg@PP水凝胶在体外增强细胞增殖、迁移和血管生成的治疗效果】

通过划痕试验评估了PP、Cur-Mg@PP和Cur-Mg溶液对细胞增殖和迁移的影响。结果显示，与未处理组相比，所有PP、Cur-Mg和Cur-Mg@PP组对细胞迁移和增殖的影响增强。Cur-Mg@PP组表现出最佳疗效。促进血管化对于组织修复至关重要。因此，通过管形成实验研究了Cur-Mg@PP对血管化的影响。结果表明，Cur-Mg@PP的治疗能够显着促进血管生成。

图6.PP、Cur-Mg和Cur-Mg@PP的体外细胞迁移和血管生成行为

【体内烧伤伤口愈合促进Cur-Mg@PP水凝胶的功效】

该动物模型是通过在小鼠背部制作一个1厘米的圆形三度烧伤伤口来创建的。病理组织切片用于证明深度烧伤模型的成功建立。脱毛处理后24小时对小鼠皮肤进行处理，以排除涂在小鼠皮肤上的脱毛膏的化学损伤。由于热效应造成的持续损伤，伤口持续加深，停止进展，24小时后趋于稳定。此时，去除烧焦的焦痂，并使用粉末喷射器将Cur-Mg@PP粉末均匀地喷洒到Cur-Mg@PP组小鼠的创面上。Cur-Mg@PP粉末静置10分钟以吸收伤口中的水分并形成用于伤口闭合的凝胶。综合来看，Cur-Mg@PP组的伤口仍然愈合最快，并在第14天恢复。即使与商业水凝胶相比，Cur-Mg@PP 也会显着增强伤口愈合过程。

图7.体内深度烧伤伤口愈合促进Cur-Mg@PP水凝胶的功效

【PP、Cur-Mg和Cur-Mg@PP的组织再生和血管生成功效的体内研究】

通过免疫荧光染色评估体内组织再生。CD31和Ki67染色分别用于标记再生毛细血管和增殖细胞。对毛细血管密度和再生细胞的代表性图像和量化结果进行了量化。结果表明，Cur-Mg@PP组在治疗后第7天表现出明显优于对照组的增殖能力。用Cur-Mg@PP治疗将显着加速烧伤愈合。

图8.PP、Cur-Mg和Cur-Mg@PP的组织再生和血管生成功效的体内研究

【Cur-Mg@PP水凝胶诱导的体内M2复极化】

在伤口愈合的早期阶段，从炎症性M1巨噬细胞向促愈合M2巨噬细胞的转变对于重建正常的稳态至关重要。实验证明了Cur-Mg@PP的抗炎活性及其在长期稳定释放Cur-Mg方面的优越性。且Cur-Mg@PP中所含的Cur-Mg比单独的Cur-Mg溶液更有效地释放并发挥作用。

图 9.体内研究对PP、Cur-Mg和Cur-Mg@PP细胞形态改变的免疫调节作用

【小结】

综上所述，Cur-Mg@PP结合了Cur、Mg2+和PP水凝胶的治疗效果，促进烧伤愈合过程。 Cur-Mg@PP的治疗效果通过以下方式得到优化：(i)增强Cur的稳定性和生物利用度；(ii) Cur 具有抗氧化、抗炎、抗菌、镇痛和促进细胞增殖的作用；(iii) Mg2+改善细胞迁移和血管生成；(iv) Mg2+促进M2巨噬细胞的复极化；(v) PP水凝胶的应用形成物理屏障，防止二次损伤；(vi)通过PP水凝胶实现渗液吸收和抗菌。CurMg@PP的各种功能均在体内和体外得到验证。这种多功能Cur-Mg@PP保留了Cur的生物活性，为保护伤口和加速烧伤愈合提供了一种方法。

封面来源于图虫创意