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武漢理工戴紅蓮教授團隊AFM：“診療一體化”-一種兼具光熱抗菌和類酶催化的殼聚糖基水凝膠用于糖尿病創(chuàng)面pH實時監(jiān)測與加速傷口愈合

2024-04-24 來源：高分子科技

糖尿病創(chuàng)面因高濃度活性氧、持續(xù)炎癥、細菌感染而難以愈合。目前大多數(shù)創(chuàng)面護理都依賴于視覺判斷，整個創(chuàng)面愈合過程都處于“黑盒”狀態(tài)，不利于進行實時監(jiān)測和評估。pH值與細菌感染、血管生成等生理過程相關，是評判創(chuàng)面狀態(tài)的重要指標。由于局部微血管的滲漏，糖尿病創(chuàng)面常在弱堿性環(huán)境下持續(xù)數(shù)月，促進了病原微生物的定植和生長，增加了感染的風險。因此，實時監(jiān)測創(chuàng)面組織的pH值，能夠明確創(chuàng)面狀態(tài)，為創(chuàng)面感染提供早期風險警示，并根據(jù)糖尿病創(chuàng)面的病理微環(huán)境制定有效的治療策略。

近期，武漢理工大學戴紅蓮教授團隊通過將硫辛酸改性殼聚糖（LAMC）與碳量子點（CD）結合，并引入了氧化鈰復合二硫化鉬納米粒（C@M@P），構建了一種監(jiān)測與治療一體化的復合水凝膠（LAMC/CD-C@M@P）。其中，CD具有良好的光致發(fā)光特性，賦予復合水凝膠熒光性能，能夠作為pH傳感器，持續(xù)監(jiān)測創(chuàng)面組織的pH值，為細菌感染提供視覺指示。同時，C@M@P具有良好的光熱轉換能力和活性氧清除活性，能夠在發(fā)生感染之后，有效殺滅致病菌，并通過類酶催化作用緩解氧化應激和炎癥響應，有效促進了糖尿病創(chuàng)面愈合。相關工作以“A Multifunctional Hydrogel with Photothermal Antibacterial and Antioxidant Activity for Smart Monitoring and Promotion of Diabetic Wound Healing”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊。

【文章要點】

圖1：作者通過硫辛酸上羧基與殼聚糖上氨基的酰胺反應合成了硫辛酸改性殼聚糖（LAMC），不但克服了殼聚糖在中性和弱堿性環(huán)境下水溶性較差的問題，而且LAMC支鏈上靈活的二硫鍵能夠在紫外光下斷裂產生自由基并形成新的二硫鍵，從而構成動態(tài)網(wǎng)絡，實現(xiàn)凝膠化。隨后，引入了碳量子點（CD）和氧化鈰復合二硫化鉬納米粒（C@M@P），基于CD在不同pH環(huán)境下的質子化和脫質子化過程，復合水凝膠（LAMC/CD-C@M@P）的熒光強度產生波動，在視覺上指示創(chuàng)面組織的pH變化。C@M@P中氧化鈰具有良好的儲氧能力，促進了與二硫化鉬之間的電子傳遞，從而增強了C@M@P的光熱效應，表現(xiàn)出良好的光熱抗菌能力。此外，氧化鈰與二硫化鉬均能夠與活性氧發(fā)生氧化還原反應，從而清除活性氧，緩解炎癥。因此，LAMC/CD-C@M@P復合水凝膠具備實時監(jiān)測、光熱抗菌、抗氧化抗炎能力，在糖尿病創(chuàng)面領域具有廣闊的應用前景。

圖1 LAMC/CD-C@M@P水凝膠的制備及診療一體化策略

圖2：LAMC/CD-C@M@P水凝膠的熒光性能呈現(xiàn)出明顯的pH依賴性，熒光強度隨著pH值的增加而增強，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。為了克服肉眼觀察下顏色變化的誤差，將水凝膠圖像分離為紅（R）、綠（G）和藍（B）三個通道，可見隨著pH值的增加，R值逐漸降低，G值基本保持不變，B值逐漸升高。擬合G+B值與pH，能夠得到一個良好的線性方程。通過讀取復合水凝膠在紫外光下的RGB值，可以快速計算出創(chuàng)面組織pH范圍，實現(xiàn)智能監(jiān)測。

圖2 LAMC/CD-C@M@P水凝膠的智能監(jiān)測能力

圖3：基于C@M@P的引入研究了LAMC/CD-C@M@P水凝膠的光熱轉換能力。通過表征不同細菌的抑菌率和細菌形態(tài)評估了復合水凝膠的光熱抗菌效果。結果顯示，LAMC/CD-C@M@P水凝膠在近紅外輻照下對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌兩種常見致病菌的抑制效果均接近于100%，且能夠熱破壞細菌的細胞結構，導致內溶物流出。

圖3 LAMC/CD-C@M@P水凝膠的光熱抗菌效果

圖4：以過氧化氫處理的成纖維細胞建立了氧化應激模型，通過測定細胞活力和活性氧染色探究了LAMC/CD-C@M@P水凝膠的抗氧化能力。與未經過氧化物處理的正常組相比，對照組的細胞活力僅占正常組的23%，說明大部分細胞因氧化應激而凋亡損傷。相比之下，LAMC/CD-C@M@P組的細胞活力能夠恢復至正常組的68%，且在2,7-二氯熒光素二乙酸酯熒光探針的測定下，熒光強度顯著減少，表明LAMC/CD-C@M@P水凝膠能夠有效保護氧化應激下的細胞。以瓊脂糖誘導巨噬細胞極化模擬體內炎癥環(huán)境，評估了LAMC/CD-C@M@P水凝膠對巨噬細胞M1和M2表型相關基因表達的影響。與瓊脂糖組相比，LAMC/CD-C@M@P水凝膠可以有效抑制M1表型相關基因的表達，促進M2表型相關基因的表達，表現(xiàn)出良好的抗炎活性。除此之外，研究了LAMC/CD-C@M@P水凝膠對炎癥響應下神經分化的影響。熒光染色結果顯示，在對照組中，瓊脂糖誘導的M1表型極化損害了神經分化過程，而LAMC/CD-C@M@P水凝膠能夠促進巨噬細胞從M1表型向M2表型極化，從而通過M2表型的分泌物促進神經分化，分化程度大約為4.98倍。

圖4 LAMC/CD-C@M@P水凝膠的抗氧化和抗炎能力

圖5：建立了糖尿病大鼠全層皮膚缺損模型，評估水凝膠的促創(chuàng)面愈合能力。通過LAMC/CD-C@M@P水凝膠的熒光性能監(jiān)測了術后三天創(chuàng)面組織的pH值，結果顯示第2天pH明顯升高，判斷為發(fā)生了細菌感染并引入光熱療法。第3天的創(chuàng)面pH下降至正常水平，說明感染得以治療，并通過平板計數(shù)法統(tǒng)計了創(chuàng)面部位的細菌存活率。通過定量分析創(chuàng)面愈合率評估了水凝膠的促愈合效果，其中，LAMC/CD-C@M@P水凝膠表現(xiàn)出最快的愈合速度，具有優(yōu)異的促糖尿病型創(chuàng)面愈合的能力。

圖5 LAMC/CD-C@M@P水凝膠應用于糖尿病大鼠體內模型

綜上所述，本研究提出了一種基于pH監(jiān)測判斷創(chuàng)面愈合狀態(tài)，同時通過光熱抗菌和類酶催化協(xié)同治療糖尿病創(chuàng)面的策略。在該策略中，碳量子點的光致發(fā)光特性具有pH依賴性，可以賦予殼聚糖基水凝膠pH監(jiān)測能力，為創(chuàng)面感染提供早期預警。同時，通過氧化鈰復合二硫化鉬納米粒的光熱效應治療了細菌感染，通過類酶催化作用清除活性氧，緩解了氧化應激和慢性炎癥，促進了糖尿病創(chuàng)面修復和神經再生，在糖尿病創(chuàng)面敷料領域具有重要的應用潛力。

武漢理工大學戴紅蓮教授為該論文的通訊作者，武漢理工大學碩士研究生王越與博士研究生劉坤、魏雯穎為論文共同第一作者。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/adfm.202402531

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（責任編輯：xu）

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