《AHM》西南科技大学：抗菌/抗炎的海绵状大孔水凝胶用于糖尿病伤口再生

Title:Sponge-Like MacroporousHydrogel with Antibacterial and ROS Scavenging Capabilities for Diabetic WoundRegeneration

Authors:Cheng Wei1, #,Pengfei Tang1, #, Youhong Tang2, Laibao Liu1,Xiong Lu3, Kun Yang4, Qingyuan Wang4, Wei Feng4,Quazi T. H. Shubhra5, Zhenming Wang6,*, Hongping Zhang1,4*

Advanced Healthcare Materials( IF 11.092 )

DOI:10.1002/adhm.202200717

具有柔软和湿润特性的水凝胶已被深入研究用于慢性疾病组织修复。然而，含有高含水量的组织工程水凝胶通常同时具有低孔隙尺寸和低防水能力，从而导致不良的手术结果。

西南科技大学HongpingZhang（通讯作者）团队通过由Ti3C2MXene添加剂诱导的简便、快速而稳健的方法，开发了一种具有稳定大孔结构和抗膨胀性能的新型海绵状大孔水凝胶(SM-hydrogel)。MXene诱导的SM水凝胶（含水量为80%）具有200-300 μm的开放大孔，表现出理想的质量/养分渗透能力，其水/血液输送速度比无孔水凝胶高约20倍。此外，MXene和聚合物链之间的强相互作用赋予SM-水凝胶优异的抗溶胀能力，有望获得具有相同大孔结构和增韧机械性能的平衡SM-水凝胶。SM-水凝胶具有多种功能，例如促进质量传递、抗菌（SMPAAM中的细菌活力低于25%）和活性氧（ROS）清除能力（120分钟时清除率为96%）协同促进糖尿病伤口愈合（与无孔水凝胶相比，在7天内伤口闭合率从39%提高到81%）。因此，耐用的SM水凝胶表现出连接的大孔结构并具有由MXene诱导的多种功能，显示出其在伤口组织工程中的巨大潜力。相关成果以“Sponge-Like Macroporous Hydrogel withAntibacterial and ROS Scavenging Capabilities for Diabetic Wound Regeneration”为题发表在“Advanced Healthcare Materials”上。

图1.海绵状大孔水凝胶体系(SM-hydrogels)的设计策略。(a) PAAM和SMPAAM水凝胶分别在紫外光刺激和Ti3C2MXene诱导下制备；(b)多功能的应用SM-水凝胶促进伤口愈合。

图2.海绵状大孔水凝胶的快速凝胶及其微观结构的表征。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝胶在环境条件或紫外线照射下的形成和颜色变化随时间变化的照片。 (b) APS（APS溶液）、UV/APS（UV辐射下的APS溶液）和Tx/APS（Ti3C2和APS混合）的5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物(DMPO)自旋捕获ESR光谱）。 (c) PAAM和SMPAAM (1h, 24h)水凝胶的XRD光谱。 (d) PAA、PAAM、SMPAA SMPAAM水凝胶的光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)图像（所有比例尺=500μm）。(e)水凝胶的水和(f)血液渗透图像。

图3.不同水凝胶在不同条件下的溶胀特性。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝胶在不同介质下72 h的照片。 SMPAA和SMPAAM凝胶的体积变化可以忽略不计，而PAA和PAAM则出现明显的溶胀。 (b) 72 h后不同环境中水凝胶的溶胀体积比。水凝胶在(c)去离子水、(d) 3.5 wt% NaCl、(e) PBS溶液和(f)不同pH值中随时间变化的溶胀重量比。 (g)PAA-PAA、PAA-Ti3C2MXene和PAA-TiO2的分子动力学模拟。

图4.初始和平衡水凝胶的力学性能。(a)将水凝胶浸入磷酸盐缓冲盐溶液(PBS, pH 7.4 at 37 °C) 3天后平衡水凝胶的微观结构。 (b)压缩-松弛循环下平衡PAA、PAAM、SMPAA和SMPPAM水凝胶的光学图像。溶胀的PAA和PAAM凝胶在弱力（<10 N）的压缩下断裂，而平衡SMPAA和SMPAAM凝胶在极强的力下压缩到90%应变几乎完全恢复。 (c)不同程度拉伸应变下平衡PAA、PAAM、SMPAA和SMPPAM水凝胶的光学图像。 (d)各种水凝胶在初始和平衡状态下的压缩性能和(e)拉伸行为。

图5. SM-水凝胶对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的体外抗菌活性。a)大肠杆菌和表皮葡萄球菌菌落琼脂平板照片，SEM图像显示与水凝胶孵育后大肠杆菌和表皮葡萄球菌的形态变化，b)和c)大肠杆菌和表皮葡萄球菌菌落的相应统计数据。

图6. SMPAAM水凝胶对糖尿病伤口的愈合。(a) SMPAAM水凝胶治疗糖尿病伤口的工艺。 (b) PAA、PAAM和SMPAAM水凝胶组和对照组第天至第14天未进行水凝胶敷料处理的伤口的代表性数字照片。比例尺：2毫米。 (c)不同时期的伤口痕迹和伤口面积。 (d)每组新再生皮肤组织第7天和第14天的HE和Masson染色。比例尺：500 μm。

总之，本研究展示了一种简单而新颖的策略，用于快速凝胶化具有多种功能的SM水凝胶，用于伤口愈合和组织修复。Ti3C2MXene诱导的SM水凝胶同时具有大孔结构（200-300 μm）、抗机械疲劳性、抗溶胀和抗菌能力，对改善糖尿病伤口再生具有协同作用（7天愈合伤口闭合率达到81%）。所提出的通用方法不仅解决了水凝胶在各种介质条件下宏观/微观结构、有效性、机械疲劳抗性和耐久性的基本问题，而且可用于水凝胶在生物医学应用中的实际应用。该设计策略为下一代生物工程水凝胶的设计提供了见解。