Adv. Funct. Mater.：南京工业大学-贻贝启发制得具有强韧组织锚点和抗感染性的仿生ɛ-聚赖氨酸水凝胶

【引言】

原位水凝胶因其侵入力小、适用于各种无规则形状的组织缺陷，在组织工程领域引起了广泛关注。但是，多水的生理环境和水凝胶具有的高湿性严重阻碍了水凝胶与目标组织的紧密结合，并且容易造成伤口感染，从而限制了伤口处理的有效性。因此，提高水凝胶与组织的亲和性以及防止伤口感染仍是一个重大挑战。

【成果简介】

近日，南京工业大学徐虹教授、迟波副研究员（共同通讯作者）等人受到贻贝粘附蛋白的启发，通过辣根过氧化物酶交联原位制备了仿生多巴胺改性的ɛ-聚赖氨酸-聚乙二醇水凝胶（PPD水凝胶）伤口敷料。仿生邻苯二酚-赖氨酸残基在PPD聚合物中的分布产生了邻苯二酚-赖氨酸协同效应，赋予了PPD水凝胶优异的湿性组织粘附性能。该PPD水凝胶能够轻易并紧密地与生物组织相结合，表现出了优越的体内止血和加速伤口愈合的能力。另外，由于ɛ-聚赖氨酸固有的抗菌性，使该水凝胶表现出了优异的抗感染性能。该成果以“A Biomimetic Mussel-Inspired ε-Poly-l-lysine Hydrogel with Robust Tissue-Anchor and Anti-Infection Capacity”为题于2017年2月21日发表在期刊Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图1 贻贝启发PPD水凝胶的设计示意图

a）贻贝粘附蛋白的主要成分之一——贻贝斑块上的mfp-5（贻贝足蛋白，富含二羟基苯丙氨酸和赖氨酸）的示意图；

b）Mfp-5、Dopa（二羟基苯丙氨酸）和赖氨酸的主要结构；

c）多巴胺与ɛ-聚赖氨酸（EPL）共轭形成mfp-5类似聚合物；

d）由辣根过氧化物酶（HRP）交联反应制得的PPD水凝胶；

e）PPD水凝胶作为伤口敷料得到应用。

图2 PPD共轭体的合成与表征图

a）PPD共轭体的合成；

b）PPD共轭体的氢谱；

c）PPD共轭体的紫外可见光谱。

图3 PPD水凝胶的合成和表征示意图

a）PPD水凝胶形成示意图，它是由多巴胺在H₂O₂的存在下与HRP发生氧化反应得到的；

b）PPD水凝胶形成过程的交叉视图，成胶前（左）和成胶后（右）。

图4 PPD水凝胶的扫描电镜图和流变性能

a）内部断面的扫描电镜图；

b）具有不同邻苯二酚取代度（PPD-A: 2%, PPD-B: 5%, PPD-C: 8%, PPD-D: 18%, PPD-E: 25%）的PPD水凝胶的储能模量（G’）。该水凝胶的配方为PPD (5 wt%), HRP (0.004 mg mL−1 ), H2O2 (0.003, 0.013, 0.028, 0.035, 0.052 wt%)。

图5 PDD水凝胶与组织的粘附强度以及增强机理

a）PPD水凝胶在猪组织上的粘附强度。PPT水凝胶和纤维蛋白胶为对照样。

b）使用猪表皮组织进行的搭接剪切试验示意图（上），和能够提高PPD水凝胶与组织粘附性的邻苯二酚-赖氨酸协同效应的产生机理。

图6 PPD水凝胶的抗菌性能

a）PPD水凝胶对大肠杆菌（革兰氏阴性）的杀菌活性；

b）PPD水凝胶对金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性）的杀菌活性；

c）与PPD-E水凝胶以及对照样接触前和接触后的扫描电镜图（左），活/死菌染色图（右）。黄色箭头代表形态变化和病原体的损伤；

d）EPL的抗菌机理示意图。

图7 PPD-E水凝胶的体外细胞毒性测试

a）使用L929成纤维细胞进行的细胞活性研究；

b）在PPD-E水凝胶表面培养L929成纤维细胞3天后的光学显微镜照片；

c）在PPD-E水凝胶以及对照样表面分别培养1、3、5、7天后的表皮细胞的存活和空间分布图。使用两种活性染料对细胞进行了染色，细胞膜标记PKH 26（红色荧光），细胞核标记Hoechst 33342（蓝色荧光）。

图8 PPD-E水凝胶的止血效果

a）小鼠肝脏出血模型和PPD-E水凝胶与肝表面粘附的示意图；

b）分别用PPD-E水凝胶、纤维蛋白胶处理肝损伤处以及不做任何处理120秒后的总失血量；

c）2min内每30s拍摄一次分别用PPD-E水凝胶、纤维蛋白胶处理肝损伤处以及不做任何处理的交叉视图。

图9 PPD-E水凝胶在体内伤口闭合和皮肤修复方面的应用评估

a）分别用PPD-E水凝胶、纤维蛋白胶和生理盐水处理伤口7天的照片；

b）伤口闭合速率；

c）PPD-E水凝胶在伤口处原位形成以及组织锚点和抗感染机理示意图。

图10 PPD-E水凝胶的组织学分析和抗感染能力

a）用PPD-E水凝胶、纤维蛋白胶和生理盐水处理伤口7天后的苏木精伊红（H&E）和马森三色染色图。黑色箭头指示血管，虚线表示伤口上的颗粒；

b）一周后对IL-6和TNF-α的免疫萤光染色图。细胞核、IL-6 和TNF-α分别用DAPI（蓝色）、SA00006-3（红色）和SA00006-1（绿色）染色。白色箭头和方框代表IL-6 和TNF-α的位置和数量。

【小结】

徐虹教授等人制备的PPD水凝胶在伤口修复、药物释放和组织工程等方面具有广泛的应用。这种仿生组织亲和性水凝胶体系可以为贻贝启发材料的设计提供分子水平的启发。

文献链接：A Biomimetic Mussel-Inspired ε-Poly-l-lysine Hydrogel with Robust Tissue-Anchor and Anti-Infection Capacity（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201604894）

本文由材料人编辑部高分子小组黄亚整理编译。

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