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西北大學(xué)范代娣教授團(tuán)隊(duì) Adv. Sci.:用于傷口狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測和綜合治療的納米復(fù)合水凝膠
2024-09-18  來源:高分子科技

  近年來,隨著智能材料的進(jìn)步,人們開始廣泛研究和開發(fā)適用于可穿戴傷口管理的各種智能傷口敷料。許多這些進(jìn)步僅限于傳感器集成,未能充分解決在現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn),并表現(xiàn)出不足的傷口修復(fù)能力。傷口愈合過程中微環(huán)境的復(fù)雜性對治療方式提出了嚴(yán)格的要求。然而,現(xiàn)有的方法要么集中在治療效果有限的個別階段,要么缺乏自主調(diào)整傷口微環(huán)境復(fù)雜性的能力。因此,為及時和全面的治療開發(fā)早期診斷、實(shí)時監(jiān)測和積極的藥物輸送控制的方法對于管理復(fù)雜的慢性傷口具有至關(guān)重要的意義。


  為解決這一問題,西北大學(xué)范代娣教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種納米復(fù)合水凝膠,用于傷口狀況的實(shí)時監(jiān)測和綜合治療。單寧酸和含有MMP-9基因的 siRNA 可自組裝成可降解的納米凝膠,并用牛血清白蛋白修飾。將納米凝膠和 pH 指示劑封裝在由降冰片烯二酐改性裸藻多糖合成的雙交聯(lián)水凝膠中。由于硼酸鹽鍵合,水凝膠表現(xiàn)出良好的形狀適應(yīng)性,點(diǎn)擊聚合反應(yīng)導(dǎo)致水凝膠原位快速固化。該系統(tǒng)不僅監(jiān)測傷口愈合過程中的 pH,溫度,傷口滲出物改變和運(yùn)動,而且還表現(xiàn)出止血,抗菌,抗炎和抗氧化特性,調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化,并促進(jìn)血管組織再生。這種將病理參數(shù)監(jiān)測與綜合治療相結(jié)合的治療方法,為解決與慢性糖尿病創(chuàng)面和感染創(chuàng)面相關(guān)的臨床問題和挑戰(zhàn)提供了廣闊的應(yīng)用前景。該研究工作以題為“Nanocomposite Hydrogel for Real-Time Wound Status Monitoring and Comprehensive Treatment” 的論文發(fā)表在新一期的《Advanced Science》上。文章共同第一作者是西北大學(xué)雷桓博士和余雪晴博士,該研究得到了中國博士后科學(xué)基金,陜西省博士后科研計(jì)劃,陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年基金的支持。


圖1.用于實(shí)時監(jiān)測傷口狀態(tài)和整體愈合的納米復(fù)合水凝膠的示意圖


圖2. TA-siRNA@BSA 納米凝膠的制備和基因沉默效率


  通過siRNA(MMP-9) 和 TA自組裝形成了 TA-siRNA 納米凝膠,該研究采用牛血清白蛋白(BSA)在 TA-siRNA 納米凝膠上制備涂層,與 siRNA 和 TA-siRNA 納米凝膠相比,TA-siRNA@BSA 納米凝膠載體表現(xiàn)出增強(qiáng)的細(xì)胞內(nèi)化。此外,用 TA-siRNA@BSA (MMP-9)納米凝膠處理的細(xì)胞中的 MMP-9水平顯著低于 LPS 和 siRNA (MMP-9)組,強(qiáng)調(diào)了 TA-siRNA@BSA (MMP-9)納米凝膠的強(qiáng)大的基因沉默效率。


圖3. N-P/B/SH/[TA(siRNA)@BSA]水凝膠的物理和化學(xué)性質(zhì)


  將降冰片烯接枝到裸藻多糖上,然后與 TA-siRNA@BSA 納米凝膠, LAP和SH-PEG-SH混合,隨后加入硼砂。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的第一層包括硼砂和裸藻多糖之間形成的硼酸鹽鍵,擁有屬性其動態(tài)特性,使水凝膠能夠在溶膠和凝膠狀態(tài)之間振蕩,從而促進(jìn)足夠的傷口調(diào)節(jié)和縫隙填充。隨后,使用藍(lán)光照射觸發(fā)點(diǎn)擊聚合反應(yīng),能夠在交聯(lián)劑存在下在光照條件下通過原位固化迅速形成二次交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層,從而促進(jìn)水凝膠與傷口表面的粘附。


  N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠具有良好的殺菌作用。此外,用 TA (siRNA)@BSA 納米凝膠增強(qiáng)的 N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠的自由基清除效力顯著超過了 N-P/B/SH 水凝膠,強(qiáng)調(diào)了 TA 的抗氧化能力在這種情況下的重要作用。此外,兩種水凝膠對 OH 和 O2-自由基的清除能力均優(yōu)于 DPPH、 ABTS+ 自由基,甚至超過100μm 抗壞血酸。


  N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝不僅具有無毒性質(zhì),而且能刺激細(xì)胞增殖,遷移及血管形成。同時,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠能有效調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞分泌,促進(jìn)微環(huán)境從促炎狀態(tài)向抗炎狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。


  利用溴酚藍(lán)負(fù)載的水凝膠能夠連續(xù)監(jiān)測感染狀態(tài),在不同 pH 范圍(7.0-4.5)的 PBS 溶液中溫育1小時后,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA)水凝膠敷料從石板藍(lán)色調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈S綠色調(diào)指示其實(shí)時可視化細(xì)菌感染的潛力,與此同時N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA)水凝膠還表現(xiàn)出非凡的應(yīng)變傳感,溫度傳感,滲出物傳感能力,表明其在監(jiān)測糖尿病患者的長期慢性炎癥創(chuàng)傷方面巨大的前景。


  動物傷口愈合實(shí)驗(yàn)表明。在第10天,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠組顯示出最小的傷口面積,N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠組的表皮結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全再生,在真皮層中具有可觀察到的血管和其他組織附著物,從而強(qiáng)調(diào)了水凝膠在促進(jìn)傷口閉合方面的功效。


  N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠組表現(xiàn)出最顯著的 M2型巨噬細(xì)胞的豐度,表明其促進(jìn)巨噬細(xì)胞極化的能力。N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠表現(xiàn)出最高的 VEGF 和 CD31表達(dá)水平,與其對應(yīng)物相比,血管計(jì)數(shù)顯著增加。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了 N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠強(qiáng)大的新血管生成誘導(dǎo)潛力。


  N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠可以促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)抗氧化作用,N-P/B/SH 水凝膠和 N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠緩解 IL-6和 TNF-α 水平,同時不同程度地提高 IL-10表達(dá),N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠顯示出最顯著的效果。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了 N-P/B/SH/[ TA (siRNA)@BSA ]水凝膠在組織微環(huán)境中促進(jìn)從促炎狀態(tài)到抗炎狀態(tài)的轉(zhuǎn)變的能力,從而減輕炎癥并促進(jìn)傷口愈合。


  總之,該研究率先開發(fā)了一種納米復(fù)合水凝膠,用于實(shí)時監(jiān)測傷口動力學(xué)和整體治療。除了在整個愈合過程中跟蹤 pH 值、溫度、滲出物變化和蠕動外,這種水凝膠還具有多方面的功能,包括止血、抗菌、抗炎和抗氧化特性。此外,它協(xié)調(diào)巨噬細(xì)胞極化和促進(jìn)血管組織再生。最終,該設(shè)想的平臺將病理監(jiān)測與綜合治療干預(yù)相結(jié)合,預(yù)示著生物醫(yī)學(xué)努力的前景。


  全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202405924

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