西南交通大学鲁雄教授团队AFM：仿贻贝超强、细胞友好、接触增强抗菌水凝胶

【前言】

细菌感染通常引起伤口难以愈合以及植入体的失败，并导致其他严重问题，甚至死亡。近年来对抗菌水凝胶的研究为防止细菌感染性疾病的难题提供的一种新的可能性。通常抗菌水凝胶是将水凝胶作为载体封载抗菌药物或银纳米颗粒。抗菌药物的滥用会引起耐药性的问题，而银离子的生物安全性一直存在问题。因此研制一种具有高抗菌效率，良好生物相容性和机械性能的抗菌水凝胶仍面临严峻的挑战。

【成果简介】

针对以上问题，西南交通大学鲁雄教授课题组提出用仿贻贝的策略制备具有接触增强抗菌水凝胶。这种新型接触增强抗菌水凝胶是通过将双键化多巴胺（MADA）和抗菌聚合物（包括甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）（DMAEMA）和季铵化壳聚糖（QCS）引入聚合物体（聚丙烯酸PAA ）中而获得的。MADA的存在可以增强细菌与水凝胶的接触，然后使水凝胶中的抗菌成分DMAEMA和QCS更有效杀死细菌。此外，MADA通过将非共价键引入到水凝胶中，使得水凝胶具有较高的韧性和压缩/拉伸可回复性。该水凝胶的断裂能高达9168 J/m²。MADA上的儿茶酚官能团还具有提高细胞/组织亲和性的作用，使得该水凝胶具有良好的生物相容性和细胞/组织粘附性。本研究首次提出制备一种接触增强抗菌水凝胶的新策略，克服了传统抗菌水凝胶细胞/组织亲和性差的缺点，可作为伤口敷料促进伤口愈合并保护伤口免受细菌感染。该研究成果以“Mussel-Inspired Contact-Active Antibacterial Hydrogel with High Cell Affinity, Toughness, and Recoverability”为题在线发表于《Advanced functional materials》。论文第一作者为在读博士研究生甘东林和硕士徐僮。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金等项目支持。 

【图文导读】

图一. 超韧，可回复，细胞亲和和接触抗菌AMD-QCS水凝胶的设计策略。

(a) 季铵化壳聚糖的制备；(b) 双键化多巴胺的制备；9c) 接触活性抗菌水凝胶的结构和功能。

 图二. 水凝胶机械性能表征

(a) 聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶的压缩回复性能展示；(b) 聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶的拉伸回复性能展示；(c) 聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖S水凝胶的承载能力展示；(d) 聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶抗割裂能力展示；(e) 不同水凝胶压缩应力应变曲线；(f) 不同水凝胶压缩模量；(g) 聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶的循环压缩曲线，表明该水凝胶具有较好的可回复性能；(h) 不同成分水凝胶的拉伸应力应变曲线；(i) 不同水凝胶压缩模量；(j) 不同水凝胶的断裂能。

图三. 水凝胶在不同溶液中的溶胀行为

(a) 聚丙烯酸水凝胶和聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶在不同溶液中溶胀60h后的图片展示；聚丙烯酸水凝胶和聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶在去离子水 (b) 和人工海水 (c) 中的溶涨行为; 聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶在不同阳离子 (d) 和 不同阴离子 (e) 中的溶胀率。(f) 不同成分水凝胶在不同pH条件下的溶胀率。

 图四. 水凝胶在体内外抗菌性能测试

(a) 用不同水凝胶培养24小时的表皮葡萄球菌和大肠杆菌悬浮液；(b)不同水凝胶对表皮葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率；(c) 体内抗菌模型示意图;  (d)水凝胶植入过程展示图；(e) 水凝胶植入7天后植入位置的外观情况观察；(f) 植入水凝胶取样后内部情况的观察；(g)  水凝胶周围组织的组织学染色观察。

图五. 水凝胶的细胞亲和性

成纤维细胞在不同水凝胶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）水凝胶、 (b) 聚（丙烯酸-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶、(c) 聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）水凝胶、(d) 聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶，表明MADA的加入能过提神水凝胶的细胞粘附性；(e) 成纤维细胞与不同水凝胶共培养3、5天增殖。

图6. 水凝胶在皮肤修复中的应用

(a) 水凝胶植入的示意图; (b) 在植入不同时期后用聚（丙烯酸-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶，聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖和负载表皮细胞生长因子（EGF）的聚（丙烯酸-双键化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季铵化壳聚糖水凝胶处理皮肤缺损的外观照片; (c) 随之植入时间伤口愈合百分比。(d) 21天后，伤口切片的H&E染色。

 【小结】

本研究设计了一种新型接触增强抗菌的水凝胶，该水凝胶不仅有较好的机械性能、良好的细胞/组织亲和性，而且在不同的溶液环境下和较宽的pH范围内都具有良好的稳定性。其中QCS和 DMAEMA 两者结合使该水凝胶具有良好的抗菌性能。MADA通过改善细菌与水凝胶的接触来进一步增强阳离子聚合物的抗菌能力。此外，由于MADA中儿茶酚基团的存在，使得水凝胶具有促进细胞粘附的能力并表现出较高的组织亲和力。因此，这种具有长期有效抗菌能力的仿贻贝水凝胶不仅可以避免使用抗生素引起的相关的问题，包括高成本，短半衰期，细菌耐药性和突释等，而且还提供了一种平衡细胞相容性和抗菌活性的新方案。

文章链接： https://doi.org/10.1002/adfm.201805964

本文由西南交通大学鲁雄教授课题组供稿，材料人编辑部编辑。

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