西南交通大学鲁雄教授Nanoscale：针对皮肤伤口微环境设计仿贻贝多功能复合冷冻凝胶用于全层皮肤缺损修复

【前言】

皮肤作为人体最大的器官，具有保护、感知以及代谢等功能，重度皮肤缺损严重威胁人们的健康和生命。对于全皮层缺损伤口，皮肤创伤修复是一个非常复杂的生理生化反应，涉及诸多的动态反应过程，包括细菌入侵导致的感染、炎症反应、新组织形成和重塑等。因此，仅靠单一的材料已经无法满足伤口的修复要求，针对伤口愈合各个阶段的需求开发多功能皮肤损伤修复材料对加速伤口愈合具有重要的意义。

【成果简介】

针对皮肤创伤微环境，西南交通大学鲁雄教授课题组以具有近红外光响应性的聚多巴胺纳米颗粒(PDA-NPs)、生物相容性良好的壳聚糖(CS)和丝素蛋白(SF)为原料，通过冷冻凝胶技术制备了兼具近红外光热治疗、调控炎症反应、有效抑制细菌感染的仿贻贝多功能复合冷冻凝胶材料。该研究成果以题为“Mussel-inspired cryogels for promoting wound regeneration through photobiostimulation, modulating inflammatory response and suppressing bacterial invasion”发表在Nanoscale上（DOI: 10.1039/C9NR03095F）。该论文由韩璐博士和李鹏飞硕士共同完成。西南交通大学的鲁雄教授为该论文的通讯作者。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的支持。

【图文导读】

图1：针对皮肤伤口微环境的仿贻贝多功能PDA-NPs-CS/SF复合冷冻凝胶的设计思路

(a) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的制备。

(b) PDA-NPs-CS/SF冻胶凝胶作为皮肤伤口敷料示意图。

(c) 在近红外光照下，固载EGF的PDA-NPs-CS/SF冻胶凝胶通过光生物刺激、调节炎症反应和抑制细菌入侵协同作用从而促进伤口愈合的示意图。

图2：冷冻凝胶的微观形貌表征

(a) CS冷冻凝胶，(b) SF冷冻凝胶，(c) PDA-NPs ，(d) CS/SF 及(e) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的SEM形貌。

图3：冷冻凝胶的力学性能表征

(a) 五瓣花形和(b)心形的PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的可回复性展示。

(c) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的压缩-回复能力。

(d) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的循环压缩性能。

(e) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的典型压缩曲线。

(f) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的压缩强度。

(g) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的典型拉伸曲线。

(h) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的最大拉伸强度。

(i) PDA-NPs-CS/SF 冷冻凝胶的拉伸比。

图4：冷冻凝胶的光热转换性能和光热抗菌性能

(a,b) PDA-NPs-CS/SF和CS/SF冷冻凝胶在近红外光照射下的温度变化图像和曲线。

(c) PDA-NPs冷冻凝胶的光热稳定性。

(d,e) PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶在有无近红外光照射的抗菌性。

图5：通过免疫荧光染色分析PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶的体外ROS清除能力

(a) DPPH分别与 CS/SF冷冻凝胶，PDA-NPs，PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶后的UV-Vis光谱。

(b) 不同PDA-NPs含量的PDA-NPs-CS/SF冷冻凝胶清除DPPH的能力。

(c) CS/SF和PDA-NPS-CS/SF冷冻凝胶与H₂O₂刺激的巨噬细胞共培养后荧光图像。

(d,e) 流式细胞仪检测不同处理组中RAW264.7细胞内的ROS表达水平。

图6：冷冻凝胶协同近红外光促进伤口愈合

(a) 近红外光辐射SD大鼠皮肤缺损部位的照片。

(b) 在红外光辐射下，冷冻凝胶在植入伤口的热成像照片。

(c) 无近红外光照情况下，不同处理组的中SD大鼠皮肤愈合情况。

(d) 在近红外光下，不同处理组的中SD大鼠皮肤愈合情况。

(e) 伤口愈合率。

(f) 植入21天后伤口组织的H&E染色。

【小结】

本研究制备了近红外光热响应性的PDA-NPs-CS/SF 冷冻凝胶，具有调控炎症反应和抵制细菌入侵、促进组织再生的多重功能。该冷冻凝胶具有仿生细胞外基质微环境的多孔结构，PDA-NPs的引入促进了成纤维细胞在冷冻凝胶表面粘附和增殖，有利于组织长入。其次，PDA-NPs具有清除自由基的能力，使冷冻凝胶能有效消除伤口炎症反应阶段产生的活性氧，从而避免氧化应激导致伤的口长期不能愈合。再次，PDA-NPs具有良好的光热转换性能，赋予该冷冻凝胶在低功率近红外光照射下即可迅速升温的特性，从而表现出良好的近红外光热抗菌效果，抑制伤口愈合期间的细菌入侵导致的感染。最后，PDA-NPs高化学活性，能够固载具有诱导皮肤组织再生功能的表皮生长因子，促进细胞活性和组织再生。总之，针对皮肤创伤微环境设计的仿贻贝多功能复合冷冻凝胶材料，与能够实现生物化学光热协同作用，加速皮肤全层创面愈合。

文献链接：

Mussel-inspired cryogels for promoting wound regeneration through photobiostimulation, modulating inflammatory response and suppressing bacterial invasion (Nanoscale, 2019)

本文由西南交通大学鲁雄教授课题组供稿。

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