基于CS/NIPAM的温度/pH双响应水凝胶用于控制Ga3+的释放以改善感染性伤口的愈合-CES

基于CS/NIPAM的温度/pH双响应水凝胶用于控制Ga³⁺的释放以改善感染性伤口的愈合

图文摘要

一种基于物理化学交联网络的智能水凝胶敷料，集高可塑性、良好的皮肤粘附性和可剥离性等多功能于一身，可根据不同伤口微环境中的温度和 pH 值变化自动调节 Ga³⁺的释放，从而使感染性伤口得到快速、高质量的愈合。

研究亮点

1) 一步原位聚合法制备具有良好贴合性和可剥离性的水凝胶敷料。

2) Ga³⁺ 在提高敷料的稳定性和抗菌效果方面发挥着双重作用。

3) 水凝胶敷料可根据温度和 pH 值的变化调节 Ga³⁺ 的释放。

4) 伤口愈合测试表明，伤口愈合率和胶原沉积效果极佳。

研究背景

皮肤是人体免疫系统的第一道防线，其屏障功能的完整性对于防止外界细菌入侵至关重要。然而，一旦皮肤屏障受损，往往容易引发严重的细菌性感染，这使得感染性伤口的愈合成为人类健康领域亟待解决的一大难题。近年来，伤口敷料作为医疗领域不可或缺的医疗物资，其市场需求不断攀升，据预测，至2028年，全球市场规模将突破286亿美元大关，这一巨大潜力使得伤口敷料成为材料与化工领域的研究焦点。尽管传统医用伤口敷料如纱布和合成纤维虽广泛应用，但仍存在明显缺陷。它们难以维持伤口湿润环境，易与新生肉芽组织粘连，且不能适应伤口微环境的变化，从而影响愈合效果。因此，急需开发新型智能抗菌伤口敷料，能智能维持湿润环境、避免粘连，并适应微环境变化，为感染性伤口提供更佳愈合方案。

近日，贺高红教授团队联合大连理工大学附属中心医院禹铭杨主任医师在Chemical Engineering Science上发表了题为“Temperature/pH Co-responsive CS/NIPAM-Based hydrogel with controlled release of Ga³⁺ for improved infected wound healing”的论文（论文链接：），该研究采用简单的三步混合法制备一种具有温度/pH双重响应性的智能水凝胶敷料，实现了Ga³⁺的控制释放。由于其表面有大量的氨基和羟基，能与皮肤形成氢键，因此具有合适的皮肤贴合特性。Ga³⁺ 主要通过与氮原子和氧原子螯合的方式存在于水凝胶敷料内部，从而显著提高了水凝胶敷料的机械弹性。此外，智能水凝胶敷料对 pH 值和温度变化敏感，可根据炎症区域微环境的变化自适应释放 Ga³⁺，从而加速伤口愈合过程。基于这些出色的功能，它未来有望应用于感染性伤口领域。

图文解读

1. 制备与表征

图1. 水凝胶敷料的基本表征，用于研究其形成机制和热稳定性。（a）不同Ga3+质量百分比的水凝胶敷料（CPN-Ga-0%，CPN-Ga-4.1%，CPN-Ga-8.1%）与CS、NIPAM的FTIR光谱；（b）不同水凝胶敷料在N 1s区域的XPS光谱；（c）不同水凝胶敷料在O 1s区域的XPS光谱；（d）CS、NIPAM和不同Ga³⁺质量百分比的水凝胶敷料从25℃到600℃的TGA曲线；（e）不同Ga³⁺质量百分比的水凝胶敷料从-10℃到120℃的DSC曲线；（f）冷冻干燥法制备的CPN-Ga-4.1%的SEM图像；（g）水凝胶敷料的制备流程。

如图1g所示本文采用简单的三步混合法制备了温度/pH 双响应智能水凝胶敷料。图1a-1c表明，水凝胶敷料主要由交联的相互渗透的物理化学网络形成，包括 Ga³⁺ 与氧原子和氮原子的螯合以及 CS 链段与 Poly（NIPAM-PEGDA）链段之间的分子间相互作用（可能是氢键和静电作用）。热性能分析结果表明，通过物理化学交联形成的水凝胶敷料在医学操作温度范围（10–40℃）内具有良好的性能稳定性，并具有一定的温度响应能力，满足伤口敷料应用的需求（图1d和1e）。另外，壳聚糖的加入有望改善水凝胶的网络连续性，为其提高弹性性能奠定基础，同时孔的存在使水凝胶敷料具有足够的溶胀性（图1f）。

2. 溶胀测试

图2. 冻干的CPN-Ga-4.1%在PBS溶液中的溶胀性。（a）不同温度下（25℃、33℃和38℃）的溶胀率；（b）在不同pH值（6.0，7.4，8.3）下的溶胀率。

该研究分析了温度和pH对冻干CPN-Ga-4.1%在PBS溶液体系中溶胀性能的影响。如图2a所示在25℃下，大约200分钟后达到溶胀平衡，最大溶胀率接近800%。然而，随着温度的升高，水凝胶敷料吸收水分的能力逐渐降低。这表明水凝胶敷料具有敏感的温度响应和合理的溶胀能力。如图2b，水凝胶敷料在接近中性的条件下表现出最高的溶胀率，这是因为在中性条件下，水与分子之间更容易形成氢键。综上，水凝胶敷料展现出优异的温度/pH响应性溶胀能力。通过调控温度和pH值，可以优化水凝胶敷料的溶胀性能，以满足不同伤口类型和治疗需求。

3. 机械弹性和贴合性测试

图3水凝胶敷料的机械弹性和粘接性能。（a）G'和G"随应变(%)的函数；（b）G'和G"的扫频分析；（c）G'和G"的温度扫描分析；（d-e）水凝胶在33℃时的应力-应变曲线；（f）组织与水凝胶的粘附机制；（g）手腕关节处水凝胶敷料拉伸试验程序；（h）大面积CPN-Ga-4.1%应用于作者大腿；（i）水凝胶在手上与玻璃的粘附示意图。

为了确定水凝胶敷料的机械弹性，研究了水凝胶的G' 和G" 的关系。如图3a-3c所示，分别用应变，频率和温度扫面三个模式评估了敷料的机械弹性，结果显示 CPN-Ga-0 %和CPN-Ga-4.1 %水凝胶的G'值均大于G"，表明制备的水凝胶具有优异的机械弹性。另外，通过对比CPN-Ga-0 %和CPN-Ga-4.1 %测试结果发现含Ga³⁺的水凝胶的凝胶表现出更高的机械弹性，随后的应力-应变曲线结果（图3d和3e）也证实了这一点。最后通过将CPN-Ga-4.1%应用于关节，腿部，手面来测试其贴合，剥离能力。结果表明，CPN-Ga-4.1%具有适宜的组织粘附强度和可剥离性，能使水凝胶敷料覆盖大面积创面，承受一定的变形（图3f-3i）。

4. 不同温度和pH下控制释放

图4 基于CPN-Ga-4.1中温度响应和pH响应的Ga³⁺累积释放行为 。（a-b）不同温度和pH下Ga³⁺的累积释放；（c）炎症创面愈合阶段水凝胶敷料中Ga³⁺的反应性释放过程；（d-f）累积释放Ga^{3 +}交换pH值(6.0 → 7.4 → 8.3)和温度(25 → 33 → 38℃,38 → 33 → 25℃)。

如图5a所示，水凝胶敷料展现出显著的pH和温度敏感行为。在25℃的PBS溶液中，Ga³⁺在第1天即迅速释放了总量的50%，随后在7天内逐渐释放至平衡状态。随着温度升高，Ga³⁺的释放量亦呈上升趋势，特别是在38℃时，其累积释放量几乎是33℃时的2倍。此外，如图5b所示，酸性环境几乎抑制了Ga³⁺的释放，而随pH值的升高，其释放速率显著加速，尤其在pH 8.3时，其最终平衡浓度是pH 7.4时的3倍。为模拟水凝胶敷料实际应用场景，我们将CPN-Ga-4.1%置于不同pH值（6.0、7.3、8.3）和温度值（25、33、38℃）随时间变化的PBS溶液中。如图5d-5f所示，随着环境由酸性向碱性转变，Ga³⁺的释放速率显著加快。此外，在不同温度调节模式下，水凝胶敷料在高温时表现为快速释放，而在低温时则释放缓慢。实验结果表明，该水凝胶敷料在体外展现出强烈的pH和温度响应特性。利用创面愈合初期的高温和高pH条件，它能够敏感并迅速释放约50%的Ga³⁺，从而实现快速抗菌效果，为临床使用场景提供了有力的潜在支持。同时，Ga³⁺ 的长时间持续释放确保了伤口敷料在整个使用周期内的持续抗菌性能。

5. 细胞毒性和抗菌测试

图5细胞毒性和抗菌测试。（a-b）CCK-8和活死染色检测水凝胶和Ga³⁺对NIH3T3的细胞毒性；（c）平板涂布法抗菌测试结果；（d）板材涂布计数结果；（e）大肠杆菌活菌/死菌染色及SEM成像。

水凝胶敷料具有良好的生物相容性是其生物医学应用的基础。用CCK-8和活死染色实验测试了样品的细胞毒性，结果如图5a和5b所示，与未处理的对照组相比，水凝胶修整浸提液与NIH3T3共培养72 h后，细胞的相对活性值均接近100%。细胞毒性试验表明，CPN-Ga-4.1%具有良好的生物相容性，在人体伤口治疗中具有潜在的应用前景。随后，通过平板涂布，活死染色和SEM成像测试了不同样品的对大肠杆菌的抗菌特性，如图5c-5e所示。CPN-Ga-4.1%可以通过破坏大肠杆菌的细胞壁达到抑制其生长。

6. 体内伤口愈合评估

图6 CPN-Ga-4.1%对全层模型的体内治疗效果金黄色葡萄球菌感染伤口。（a）全层金黄色葡萄球菌感染创面示意图的建立及处理；（b）不同处理伤口的代表性照片；（c）伤口愈合率的定量统计。

本研究评估了CPN-Ga-4.1%对全层金黄色葡萄球菌感染伤口模型的治疗效果（图6a）。如图7b和7c所示，照片从宏观角度清晰地显示了第3天、第7天和第10天创面愈合的进展情况，并准确分析了创面愈合率。第3天，CPN-Ga-4.1%组创面愈合率为26.79%，明显高于对照组的9.64%和商品敷料组的24.74%。另外，对照组创面含有大量黄色液体，CPN-Ga 4.1%组创面仅在创面边缘含有淡黄色液体。第7天，对照组创面愈合率仅为81.76% 并可见部分结痂，而在CPN-Ga-4.1%组，伤口愈合率提高到95.75%。这些结果表明CPN-Ga-4.1%理想的物理化学性质导致了最佳的愈合效率。

7. 组织学分析

图7治疗7天后创面组织组织学评价及TGF-β、CD163免疫组化染色。（a）H&E染色图像；（b）缠绕长度；（c）造粒厚度；（d） Masson染色图像；（e）组织胶原纤维率；（f） CD163免疫组化染色；（g）组织CD163阳性率；（h）TGF-β免疫组化染色；（i）组织TGF-β阳性率。

伤口愈合过程是一个复杂的生物学过程，包括四个连续的阶段:止血期、炎症反应期、增殖期和重塑期。为了进一步从组织学角度评估修复皮肤的质量，收集第7天的创面组织样本，包埋于石蜡中进行苏木精-伊红(H&E)和马松三色染色。H&E结果如图7a所示。与对照组和商用敷料组对比，CPN-Ga-4.1%组仅显示非常轻微的炎症细胞浸润，无新的成纤维细胞或肉芽肿(图7b)，伤口更小（图7c）表皮层更厚，毛囊和新生血管更多。Masson结果如图8d和8e所示，与对照组和商业敷料组相比，CPN-Ga-4.1%处理的伤口炎症更少，成纤维细胞更多，胶原纤维更多。因此，CPN-Ga-4.1%显示出较好的伤口愈合效果。TGF-β1是一种免疫抑制因子，诱导巨噬细胞向M2极化并刺激内皮细胞迁移，而CD163是M2巨噬细胞的标志物。基于以上结论，进一步从免疫组化角度分析创面愈合过程。如图7f和7g所示，CD163染色结果显示，CPN-Ga-4.1%组阳性结果最弱。由于创面修复过程已经过了炎症阶段，进入了增殖和重塑阶段。这与上面的组织分析结果一致。TGF-β1染色结果(图7h和7i)显示，CPN-Ga-4.1%组阳性最弱，伤口已明显愈合，表达量下降。商品敷料组阳性反应弱于对照组。因此，对于金黄色葡萄球菌感染的创面，CPN-Ga-4.1%可通过持续释放Ga³⁺缓解创面早期炎症反应，加速创面从炎症期向增殖性重塑期过渡，呈现出最快的愈合效率和质量。

主要结论

总之，通过简单的三步混合和原位自由基聚合方法，成功开发了一种促进感染伤口愈合的智能水凝胶敷料。由于交联互穿网络的存在，制备的水凝胶敷料具有大面积塑性、中等机械弹性、良好的皮肤粘附性和剥离性，以及优异的热稳定性，满足了实际使用伤口敷料的基本要求。Ga³⁺的存在使水凝胶敷料具有抗菌和抗炎的性能，提高了其机械性能和热稳定性。此外，该智能水凝胶敷料具有温度和pH响应性，可以灵敏地实现高温或碱性条件下Ga³⁺快速释放，低温或酸性条件下镓离子缓慢释放的效果。基于伤口愈合过程中创面温度和pH微环境的变化(感染和发炎的伤口表面温度和pH都会升高)，敷料可以根据伤口愈合过程智能调节Ga³⁺的释放速率。随后的体内伤口愈合评估和组织学和免疫组织化学染色显示了水凝胶敷料优越的伤口愈合效果。因此，该智能水凝胶敷料在大面积感染创面治疗领域具有广阔的应用前景。

以上研究结果的第一作者为刁计波博士，通讯作者为大连理工大学化工学院姜晓滨教授和大连理工大学附属中心医院禹铭杨主任医师。研究工作得到了国家自然科学基金，大连市科技人才创新支持计划，大连市生命与健康领域指导计划项目和吉林省博士后优秀人才资助项目的资助，并感谢大连理工大学仪器分析中心的协助。

作者信息

姜晓滨，教授，博士生导师，现任大连理工大学化工学院副院长，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，中国化工学会化工强化专委会青年委员，辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室主任。主要从事新型分离膜及过程耦合强化，膜结晶过程及精准调控等领域研究。在AIChE J.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、J. Membrane Sci.、Chem.Eng. Sci.、Chem. Eng. J.、Cryst. Growth Des.等期刊发表SCI论文80余篇，授权发明专利20余项，实现工业应用多项，累计创经济效益超3亿元/年。作为主要完成人，荣获国家科技进步二等奖1项，国际发明特别金奖1项、省部级奖励3项。荣获国际杰出青年化学工程师奖、侯德榜化工科学技术奖青年奖、中国石化联合会青年科技突出贡献奖、中国颗粒学会青年颗粒奖，辽宁省“百千万人才工程”百人层次，“兴辽英才”计划（青年拔尖）等。

禹铭杨，医学博士，临床医学博士后，化学工程与技术博士后，副主任医师，硕士研究生导师。2015年博士毕业于吉林大学白求恩医学部，期间曾获全国首届研究生国家奖学金。中国临床肿瘤学会会员；中国抗癌协会青年委员；辽宁省中西医结合学会骨科专业委员会委员；中国民族卫生协会卫生健康技术推广专家委员会委员（骨科）。曾于上海市第一人民医院进修恶性骨与软组织肿瘤的根治性手术治疗，及各种骨转移癌的外科治疗；曾于北京301医院学习癌性创面的治疗。重点研究治疗痛风性关节炎的纳米药物，慢性创面的医用敷料研发、医用3D打印机件的微表面后处理技术。主持省级课题2项，主持市级课题3项，主持院级课题3项。以第一或通讯作者发表SCI论文7篇

刁计波，大连理工大学化工学院博士研究生。目前研究焦点主要聚焦于高分子水凝胶敷料在伤口治疗领域的应用。以第一作者在Chem. Eng. S.期刊上发表SCI论文1篇，其他作者论文2篇，专利1篇。