西安交通大學Nature Protocols：物理動態雙網絡水凝膠作為敷料，促進組織修復

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一、【導讀】

敷料在傷口管理中起著至關重要的作用，因為它們可以保護傷口免受外部感染，并加快愈合過程。在各種可用的敷料中，水凝膠因其可調節的化學，物理和生物學特性以及可吸收和保留大量水的三維交聯聚合物網絡而受到越來越多的關注。隨著研究的深入，具有單一功能的水凝膠敷料難以滿足交錯愈合的要求，因此需要設計具有多種可調功能的智能水凝膠。2003年，Gong等人首次報道了一種通過兩步序自由基聚合制備的雙網狀水凝膠（Adv. Mater. 2003, 15, 1155–1158），與單網狀水凝膠相比提高了韌性。隨著研究的深入，越來越多合成雙網狀水凝膠的方法被開發出來。已有的制備雙網狀水凝膠方法包括化學交聯、混合化學/物理交聯和物理交聯。其中物理相互作用形成的水凝膠通常比化學交聯的水凝膠網絡具有更高的動態網絡，可以提供自愈特性。近日，郭保林團隊在克服單網狀水凝膠機械強度不足的基礎上（2017年郭教授的研究），開發了一種物理動態雙網絡水凝膠的通用制備方法，與其他物理交聯水凝膠相比，這種類型的水凝膠顯示出非常高的韌性，使其成為需要復雜運動的傷口敷料的理想選擇。

二、【成果掠影】

得益于殼聚糖(作為第一網絡)和聚乙烯醇結晶(作為第二網絡)之間的氫鍵可以生成物理交聯的雙網絡水凝膠，以及疏水締合和氫鍵相互作用也可用于獲得雙網絡水凝膠，郭保林團隊描述了一種制備物理雙網狀水凝膠的方法，以及其在傷口敷料、生物粘合劑和止血劑等方面的應用。同時也對表征其屬性的方法進行了探究。相關的研究成果以“Physical dynamic double-network hydrogels as dressings to facilitate tissue repair”為題發表在Nature Protocols上。

三、【核心創新點】

• 新方法：首先通過六亞甲基二異氰酸酯（HDI）將脲基嘧啶酮（Upy）接枝到生物高分子（如明膠）上，形成Upy改性明膠（GTU），隨后在含有多羥基的合成高分子如聚(甘油癸二酸酯)-共-聚(乙二醇)（PEGS）的羥基上共聚3，4-二羥基苯丙酸，生成PEGS-共聚-兒茶酚（PEGSD），最后通過往上述兩種聚合物混合溶液中添加Fe³⁺，將Upy的多重氫鍵與Fe³⁺和鄰苯二酚之間的金屬配位相互作用結合在一起。

• 優勢：在該物理動態雙網絡水凝膠中，兩種物理動態交聯網絡都能在水凝膠變形過程中參與能量耗散，并通過可逆鍵“締合-解離”機制實現自愈性能。

四、【數據概覽】

圖1 | PEGSD/GTU水凝膠制備示意圖。a,b, PEGSD預聚物的合成。c, UPy-HDI的合成。d, GTU的合成。e, PEGSD/GTU水凝膠的制備，以及水凝膠網絡中物理雙動態交聯示意圖。

圖2 | PEGSD和GTU聚合物的表征。a, PEGSD2聚合物的1h NMR譜。b, PEGSD2聚合物、明膠和GTU聚合物的FT-IR光譜。c, 凝膠和GTU7.5聚合物的¹H NMR譜。d, 不同鄰苯二酚接枝率PEGSD聚合物的紫外可見光譜。以去離子水(DI)為溶劑。e, 不同UPy-HDI接枝比下GTU聚合物的紫外可見光譜。采用二甲基亞砜作為溶劑。

圖3 |物理雙網狀水凝膠的性質。a, PEGSD2/GTU5.0水凝膠圖片。b, PEGSD2/GTU5.0水凝膠的壓縮狀態。c, PEGSD2/GTU5.0水凝膠的拉伸狀態。d, PEGSD2、PEGSD2/GT、PEGSD3/GTU2.5、PEGSD2/GTU5.0、PEGSD2/GTU7.5水凝膠膨脹前后的SEM圖像，比例尺，300μm。e, 不同水凝膠對PBS達到溶脹平衡時的溶脹比。f，通過16g針注射PEGSD2/GTU5.0水凝膠圖像。g，“XJTU”紋理，由16g針注入的水凝膠書寫。

圖4 |PEGSD2/GTU5.0水凝膠的自愈行為。a、將PEGSD2/GTU5.0水凝膠在室溫下切割愈合在一起，愈合后的水凝膠具有良好的粘接性和機械強度，可承受6 g管。b、PEGSD2/GUT5.0水凝膠的熱觸發愈合行為。在37°C下，水凝膠在12分鐘內愈合。C .近紅外輻射觸發水凝膠的愈合行為，在45 s內愈合。d，水凝膠在37℃下的儲存模量和損失模量。e、水凝膠在流變性能溫度掃描試驗中的儲存模量和損失模量。f, PEGSD2/GUT5.0水凝膠對菌株的儲存模量和損失模量(0.1% ~ 1000%)。g、PEGSD2/GTU5.0水凝膠連續階應變試驗結果。高應變為250%，低應變為1%。比例尺，1厘米。

圖5 |水凝膠光熱抗菌效果。a, 光強為1.4 W/cm2時水凝膠和水凝膠前驅體共聚物溶液的溫度變化。b, 光強為0.6 ~ 1.4和2.3 W/cm2時PEGSD2/GTU5.0的?T-NIR輻照時間曲線。c, 熱圖10 wt %的明膠溶液,10 wt % GTU5.0解決方案,15 wt % PEGSD2解決方案,水凝膠PEGSD2,水凝膠PEGSD2 / GT和水凝膠PEGSD2 / 10分鐘后GTU5.0近紅外照射下光強度為1.4 W / cm2 (i-vi)和熱水凝膠的地圖PEGSD2 / GTU5.0的光強度下0.6(七)和2.3 W / cm2(八),d, e, Killing-irradiation時間曲線(d)和大腸桿菌金黃色葡萄球菌(e) PEGSD2 / GTU5.0和PBS組接觸近紅外光譜輻照后不同時間(1.4 W / cm2)。f, PEGSD2/GTU5.0 (ii和iv)組和PBS (i和iii)組在近紅外輻射(1.4 W/cm2)下分別暴露0、1、3、5和10分鐘后的存活大腸桿菌(i和ii)和金黃色葡萄球菌(iii和iv)的照片。

圖6 |水凝膠的抗氧化和按需去除。a, 不同濃度水凝膠對穩定自由基DPPH?的清除效率。**P < 0.01， ***P < 0.001。b, 空白、156μg/mL GTU5.0和濃度為39 ~ 156μg/mL的水凝膠分散液的DPPH?紫外可見光譜。c, 近紅外輻照下PEGSD2/ GTU5.0水凝膠的凝膠-溶膠轉變。d, 水凝膠PEGSD2/GTU5.0在37°C和45°C的2%醋酸溶液中浸泡1 min、5 min、10 min、15 min、20 min和30 min的照片。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41596-023-00878-9

本文由charfreen撰稿