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武漢理工戴紅蓮教授團隊 AHM:“一石三鳥”, 基于磺胺嘧啶銀調控的兼具穩定性、動態性和抗菌性的水凝膠用于感染創面愈合
2024-04-14  來源:高分子科技

  動態共價鍵水凝膠由于其固有的動態可逆性,在傷口敷料、藥物輸送、生物傳感器等生物醫學領域得到了廣泛的應用。其中,亞胺鍵是動態共價鍵中最突出的類型之一,其特點是具有極強的可逆性和動態性。然而,受孤對電子的電子離域和負誘導效應的影響,亞胺鍵穩定性低,極大地限制了亞胺鍵水凝膠的應用。目前提高亞胺鍵穩定性的方法,在一定程度上會導致亞胺鍵的動態“鎖定”,從而降低了水凝膠的動態性。因此,亞胺鍵水凝膠在應用中存在著穩定性與動態性的矛盾問題。


  近期,武漢理工大學戴紅蓮教授團隊通過引入小分子催化劑磺胺嘧啶銀(AgSD),構建了一種基于亞胺鍵交聯并在同一交聯鏈上引入二硫鍵的水凝膠網絡。其中,AgSD可以加速水凝膠中亞胺鍵的形成,增強了水凝膠在特定時間范圍內的穩定性。同時,AgSD中的銀離子可以與同一交聯鏈上的二硫鍵形成Ag-S配位,增強了水凝膠的動態性,從而巧妙地解決了亞胺鍵水凝膠穩定性與動態性的矛盾。值得注意的是AgSD作為抗菌藥物還賦予了水凝膠顯著的殺菌能力,有效促進了細菌感染創面的愈合。


1、OHAC-AgSD水凝膠的制備(圖1


  通過對基體材料透明質酸鈉(HA)進行改性,成功合成了前驅體氧化透明質酸鈉(HA-CHO)和接枝胱胺的透明質酸鈉(HA-Cys)。隨后,引入小分子催化劑AgSD,基于HA-CHO中醛基與HA-Cys中氨基之間的席夫堿反應制備了OHAC-AgSD水凝膠。一方面,AgSD中的苯胺類結構可以催化席夫堿反應,加速水凝膠中亞胺交聯鍵的形成,從而提高了水凝膠網絡結構的穩定性。此外,AgSD中的Ag+部分,可以與水凝膠二硫鍵斷裂后的硫原子相互作用,形成金屬配合物Ag-S,從而提高了水凝膠網絡結構的動態性。更重要的是,AgSD作為磺胺類抗菌劑的代表,具有磺胺嘧啶SDZAg+的雙重抗菌效果。因此,基于AgSD的引入,該亞胺鍵水凝膠同時具備穩定性、動態性和抗菌性,實現了“一石三鳥”,在抗菌敷料領域具有廣闊的應用前景。


1. 水凝膠的制備及AgSD的一石三鳥策略


2OHAC-AgSD水凝膠的穩定性表征(圖2


  AgSD可提高亞胺鍵的生成速度,加速水凝膠網絡的形成,并在一定時間內促使網絡達到更高的交聯密度。小分子反應模型的定性分析,證實了AgSD對席夫堿反應的催化作用。通過表征凝膠時間和力學性能探究了水凝膠網絡結構的穩定性,與不含催化劑的OHAC水凝膠相比OHAC-AgSD水凝膠的凝膠時間縮短了36.9,壓縮強度提高了2.4,壓縮模量提高了2.5倍。


2.AgSD提高水凝膠網絡結構的穩定性


3、OHAC-AgSD水凝膠的動態性表征(圖3


  AgSD催化水凝膠中的亞胺鍵快速交聯形成穩定的網絡結構,一定程度上影響了動態亞胺鍵的斷裂重組能力。然而,水凝膠中存在的另一動態共價鍵二硫鍵發生斷裂時,硫原子可以與AgSD中的銀離子相互作用形成金屬配位鍵。紅外和拉曼光譜分析驗證了水凝膠中Ag-S配位結構。通過表征自愈合性能和流變學性能探究了水凝膠網絡結構的動態性,與不含二硫鍵結構的OHAMD-AgSD水凝膠相比,OHAC-AgSD水凝膠的自愈合效率提高了2.3倍,弛豫時間縮短了25.1倍。


3. AgSD增強水凝膠網絡結構的動態性


4OHAC-AgSD水凝膠的抗菌性表征(圖4


  基于AgSD的引入開發出了兼具穩定性和動態性OHAC-AgSD水凝膠,而AgSD作為磺胺類抗菌劑賦予了水凝膠顯著的抗菌能力。通過表征不同類型細菌的抑菌率和細菌形態探究了水凝膠的抗菌性能,與其他組水凝膠相比,OHAC-AgSD水凝膠對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌以及耐甲氧西林金黃色葡萄球菌均具有最優的抑菌效果,且對細菌的破壞程度最高。


4. AgSD賦予水凝膠顯著的抗菌性能


5OHAC-AgSD水凝膠的感染性創面應用(圖5


  建立大鼠全厚層皮膚傷口感染模型,評估水凝膠的促創面愈合能力。通過平板計數法統計了第3天創面部位的細菌存活率,OHAC-AgSD水凝膠在創面感染初期可以高效快速地清除細菌,有效促進了炎癥期到增殖期的愈合階段,加速了感染性創面的修復進程。通過對創面愈合率進行定量分析來評估水凝膠的促愈合效果,與其他組水凝膠相比,OHAC-AgSD水凝膠表現出最高效的愈合速度和愈合程度,具有優異的促感染性創面愈合的能力。


5. OHAC-AgSD水凝膠促進大鼠感染性創面的愈合


  綜上所述,本研究提出了一種基于小分子催化劑AgSD的引入,同時調控亞胺鍵水凝膠網絡穩定性和動態性的新策略。在該策略中,AgSD作為席夫堿反應的催化劑,可以加速HA基水凝膠中亞胺交聯鍵的形成,提高水凝膠網絡結構的穩定性。同時,通過AgSD與二硫鍵形成的Ag-S配位來提高水凝膠網絡結構的動態性,從而有效地解決了亞胺鍵水凝膠應用中穩定性和動態性的內在矛盾問題。此外,AgSD還賦予了水凝膠顯著的抗菌性能,在感染性創面的修復領域具有重要的應用潛力。


  該研究以“One stone three birds: silver sulfadiazine modulates the stability and dynamics of hydrogels for infected wound healing”為題發表于《Advanced Healthcare Materials》(10.1002/adhm.202400242)。文章第一作者為武漢理工大學碩士研究生黃曄與博士研究生康海飛,通訊作者為武漢理工大學戴紅蓮教授。本研究受到國家自然科學基金、深圳市基礎研究重點項目等項目資助。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202400242

  下載:One stone three birds: silver sulfadiazine modulates the stability and dynamics of hydrogels for infected wound healing

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(責任編輯:xu)
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