西南交通大學魯雄教授團隊AFM：仿貽貝超強、細胞友好、接觸增強抗菌水凝膠

【前言】

細菌感染通常引起傷口難以愈合以及植入體的失敗，并導致其他嚴重問題，甚至死亡。近年來對抗菌水凝膠的研究為防止細菌感染性疾病的難題提供的一種新的可能性。通常抗菌水凝膠是將水凝膠作為載體封載抗菌藥物或銀納米顆粒。抗菌藥物的濫用會引起耐藥性的問題，而銀離子的生物安全性一直存在問題。因此研制一種具有高抗菌效率，良好生物相容性和機械性能的抗菌水凝膠仍面臨嚴峻的挑戰。

【成果簡介】

針對以上問題，西南交通大學魯雄教授課題組提出用仿貽貝的策略制備具有接觸增強抗菌水凝膠。這種新型接觸增強抗菌水凝膠是通過將雙鍵化多巴胺（MADA）和抗菌聚合物（包括甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）（DMAEMA）和季銨化殼聚糖（QCS）引入聚合物體（聚丙烯酸PAA?）中而獲得的。MADA的存在可以增強細菌與水凝膠的接觸，然后使水凝膠中的抗菌成分DMAEMA和QCS更有效殺死細菌。此外，MADA通過將非共價鍵引入到水凝膠中，使得水凝膠具有較高的韌性和壓縮/拉伸可回復性。該水凝膠的斷裂能高達9168 J/m²。MADA上的兒茶酚官能團還具有提高細胞/組織親和性的作用，使得該水凝膠具有良好的生物相容性和細胞/組織粘附性。本研究首次提出制備一種接觸增強抗菌水凝膠的新策略，克服了傳統抗菌水凝膠細胞/組織親和性差的缺點，可作為傷口敷料促進傷口愈合并保護傷口免受細菌感染。該研究成果以“Mussel-Inspired Contact-Active Antibacterial Hydrogel with High Cell Affinity, Toughness, and Recoverability”為題在線發表于《Advanced functional?materials》。論文第一作者為在讀博士研究生甘東林和碩士徐僮。該研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金等項目支持。^?

【圖文導讀】

圖一. 超韌，可回復，細胞親和和接觸抗菌AMD-QCS水凝膠的設計策略。

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(a) 季銨化殼聚糖的制備；(b) 雙鍵化多巴胺的制備；9c) 接觸活性抗菌水凝膠的結構和功能。

?圖二.?水凝膠機械性能表征

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(a) 聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠的壓縮回復性能展示；(b) 聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠的拉伸回復性能展示；(c)?聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖S水凝膠的承載能力展示；(d)?聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠抗割裂能力展示；(e) 不同水凝膠壓縮應力應變曲線；(f) 不同水凝膠壓縮模量；(g) 聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠的循環壓縮曲線，表明該水凝膠具有較好的可回復性能；(h)?不同成分水凝膠的拉伸應力應變曲線；(i) 不同水凝膠壓縮模量；(j)?不同水凝膠的斷裂能。

圖三.?水凝膠在不同溶液中的溶脹行為

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(a) 聚丙烯酸水凝膠和聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠在不同溶液中溶脹60h后的圖片展示；聚丙烯酸水凝膠和聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠在去離子水?(b) 和人工海水?(c)?中的溶漲行為; 聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠在不同陽離子 (d) 和 不同陰離子 (e)?中的溶脹率。(f) 不同成分水凝膠在不同pH條件下的溶脹率。

?圖四.?水凝膠在體內外抗菌性能測試

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(a) 用不同水凝膠培養24小時的表皮葡萄球菌和大腸桿菌懸浮液；(b)不同水凝膠對表皮葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率；(c)?體內抗菌模型示意圖; ?(d)水凝膠植入過程展示圖；(e) 水凝膠植入7天后植入位置的外觀情況觀察；(f)?植入水凝膠取樣后內部情況的觀察；(g) ?水凝膠周圍組織的組織學染色觀察。

圖五.?水凝膠的細胞親和性

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成纖維細胞在不同水凝膠表面粘附的激光共聚焦照片(a) 聚（丙烯酸-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）水凝膠、?(b) 聚（丙烯酸-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠、(c) 聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）水凝膠、(d)?聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠，表明MADA的加入能過提神水凝膠的細胞粘附性；(e) 成纖維細胞與不同水凝膠共培養3、5天增殖。

圖6. 水凝膠在皮膚修復中的應用

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(a) 水凝膠植入的示意圖; (b) 在植入不同時期后用聚（丙烯酸-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠，聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖和負載表皮細胞生長因子（EGF）的聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠處理皮膚缺損的外觀照片; (c) 隨之植入時間傷口愈合百分比。(d) 21天后，傷口切片的H&E染色。

?【小結】

本研究設計了一種新型接觸增強抗菌的水凝膠，該水凝膠不僅有較好的機械性能、良好的細胞/組織親和性，而且在不同的溶液環境下和較寬的pH范圍內都具有良好的穩定性。其中QCS和 DMAEMA 兩者結合使該水凝膠具有良好的抗菌性能。MADA通過改善細菌與水凝膠的接觸來進一步增強陽離子聚合物的抗菌能力。此外，由于MADA中兒茶酚基團的存在，使得水凝膠具有促進細胞粘附的能力并表現出較高的組織親和力。因此，這種具有長期有效抗菌能力的仿貽貝水凝膠不僅可以避免使用抗生素引起的相關的問題，包括高成本，短半衰期，細菌耐藥性和突釋等，而且還提供了一種平衡細胞相容性和抗菌活性的新方案。

文章鏈接：?https://doi.org/10.1002/adfm.201805964

本文由西南交通大學魯雄教授課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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