基于天然材料的自愈水凝膠傷口敷料研究進(jìn)展

李容愷,齊欽兵,王春華,李誠(chéng)博

(濱州醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院(葡萄酒學(xué)院),山東 煙臺(tái) 264003)

皮膚是人體與外界環(huán)境之間的主要物理屏障,對(duì)維持身體健康有著重要的作用,因此皮膚損傷會(huì)引發(fā)潛在的健康問題。根據(jù)受傷皮膚的層數(shù)和面積,將受傷皮膚分級(jí)為淺表傷、局部厚度傷和全厚度傷。而傷口愈合是一個(gè)連續(xù)的過程,包括一系列復(fù)雜的生化級(jí)聯(lián)反應(yīng),經(jīng)歷了四個(gè)主要階段:穩(wěn)態(tài)、炎癥、增殖和成熟[1]。無(wú)論是小傷口還是大潰瘍,妥善處理傷口是很重要的。理想的敷料應(yīng)能保護(hù)創(chuàng)面免受再次的外部損傷,還能促進(jìn)創(chuàng)面的愈合,防止細(xì)菌感染、促進(jìn)傷口愈合、促進(jìn)血管生成和減少瘢痕等[2]。傳統(tǒng)的傷口敷料產(chǎn)品,如紗布和繃帶,只能提供一定的物理保護(hù),缺少抗菌的有效手段,并且一旦被吸收的滲出液干透,往往會(huì)附著在傷口創(chuàng)面上,在換藥過程中因粘連而造成繼發(fā)性損傷。

水凝膠是由具有較多極性官能團(tuán)的親水聚合物交聯(lián)組成的三維網(wǎng)絡(luò),在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景,一方面水凝膠因?yàn)槠淙S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在水中充分溶脹而不溶解即保持原有形態(tài),而且可以搭載并釋放藥物[3];另一方面具有良好的生物相容性,甚至與部分活性組織相似,也不會(huì)影響到人體的代謝過程,可以作為理想的傷口愈合材料[4]。因此,水凝膠在傷口治療過程中能夠發(fā)揮出其出色的促進(jìn)愈合的作用,可以作為屏障直接保護(hù)傷口,避免傷口被細(xì)菌真菌感染或者是二次創(chuàng)傷[5]。其中基于天然產(chǎn)物制備水凝膠具有優(yōu)異的生物相容性、良好的滲透性和低毒性,因此可以完美地作為天然細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的模擬物,并作為大量親水性物質(zhì)(包括細(xì)胞因子或核酸)的載體[6]。

越來(lái)越多的水凝膠被設(shè)計(jì)成負(fù)載藥物或活性分子,在保護(hù)傷口的同時(shí),還減少炎癥反應(yīng),促進(jìn)傷口的愈合[7]。但是,限制傳統(tǒng)水凝膠長(zhǎng)期應(yīng)用的一個(gè)重要特性是較弱的機(jī)械耐久性。日常身體運(yùn)動(dòng)可能會(huì)破壞水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而縮短水凝膠的使用周期。而自愈合水凝膠能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的重建,從而提高其使用效率,延長(zhǎng)其使用周期[8]。

自愈水凝膠是一類無(wú)需外界干預(yù)就能自動(dòng)修復(fù)損傷的智能材料,與傳統(tǒng)水凝膠相比,自愈水凝膠中具有可逆性的動(dòng)態(tài)連接[9],在其網(wǎng)絡(luò)破裂時(shí),可以在不影響功能的情況下恢復(fù)其原有結(jié)構(gòu)[10]。自愈水凝膠作為細(xì)胞或藥物載體直接注射到受損組織中[11],或作為組織樣結(jié)構(gòu)三維(3D)打印的生物油墨[12],因此,自愈水凝膠在傷口敷料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文就自愈水凝膠傷口敷料的研究進(jìn)展作一綜述。首先,討論了廣泛應(yīng)用于創(chuàng)面敷料的天然材料聚合物,系統(tǒng)地闡述了自愈合的機(jī)理,介紹了自愈合水凝膠敷料在各種傷口上的應(yīng)用及功能的分類。最后,本綜述對(duì)傷口敷料自愈水凝膠的未來(lái)發(fā)展提出了新想法。

1 天然生物活性材料

大多數(shù)天然生物活性聚合物是形成身體基質(zhì)的一部分,或是其中含有參與傷口愈合過程的活性成分。天然生物活性聚合物因其良好的生物相容性和可生物降解性而常用作傷口敷料[13],主要用作水凝膠敷料的天然生物材料包括海藻酸鈉(SA)、殼聚糖(CS)、明膠和透明質(zhì)酸(HA)。

1.1 海藻酸鈉

海藻酸鹽(圖1)是從棕色海藻中獲得的陰離子線性多糖,由1,4-連接的β-D-甘露糖醛酸鹽和1,4-L-α-葡萄糖酸鹽殘基以不同比例組成[14]。當(dāng)與鈣等二價(jià)離子相互作用產(chǎn)生交聯(lián),可以形成機(jī)械性能較強(qiáng)的離子水凝膠[15]。由于海藻酸鈉具有良好的生物相容性,廣泛應(yīng)用于傷口愈合敷料。其中,海藻酸鈉類傷口敷料以水凝膠、薄膜、納米纖維和海綿等形式生產(chǎn)[16]。

圖1 海藻酸鈉結(jié)構(gòu)式

Wang等人[17]以海藻酸鈉和氧化淀粉交聯(lián)明膠為原料,通過濕法紡絲工藝成功制備了海藻酸鈉/明膠共混水凝膠纖維。通過掃描電鏡(SEM)觀察海藻酸/明膠水凝膠纖維的結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)。而機(jī)械性能測(cè)試、吸水和保水性能測(cè)試驗(yàn)證了具有良好的機(jī)械、吸水和保水性能。這些海藻酸鹽/明膠共混水凝膠纖維可能在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。

1.2 殼聚糖

殼聚糖(CS)(圖2)是一種天然多糖,由幾丁質(zhì)的N-脫乙?；苌?從螃蟹,蝦等甲殼類動(dòng)物的外骨骼中制備。由于其生物相容性、血液相容性、生物可降解性以及止血、抗菌特性都十分優(yōu)異,所以CS對(duì)傷口愈合具有積極作用[18]。CS可溶于稀含水酸性介質(zhì),因?yàn)槠洳被膒Ka值為6.3,這是限制其使用的一個(gè)主要問題[19]。在CS結(jié)構(gòu)中引入小的化學(xué)基團(tuán),如羧甲基,可以大大提高CS在中性條件下的溶解度和抗真菌性,從而拓寬其應(yīng)用范圍[20]。

圖2 殼聚糖結(jié)構(gòu)式

天然多糖的可生物降解和可注射水凝膠由于其最小的侵襲性和適應(yīng)不規(guī)則傷口表面的能力而在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注[21]。Li等人[22]報(bào)告了由N,O-羧甲基殼聚糖(N,O-CMC)和氧化硫酸軟骨素(OCS)的混合物衍生的原位注射、自愈、抗菌、止血和生物相容性水凝膠的開發(fā),該水凝膠不需要任何化學(xué)交聯(lián),依賴于N,O-CMC的-NH-官能團(tuán)和OCS的-CHO官能團(tuán)之間的席夫堿反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,N,O-CMC2/OCS1水凝膠具有較長(zhǎng)的凝膠化時(shí)間和穩(wěn)定的性能。水凝膠提取物培養(yǎng)的NIH3T3細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的存活率約為85%,細(xì)胞毒性較低。此外,N,O-CMC2/OCS1水凝膠由于N,O-CMC固有的抗菌能力而顯示出優(yōu)異的抗菌性能。水凝膠緊密粘附于生物組織,顯示出優(yōu)異的體內(nèi)止血性能。

1.3 明膠

天然生物聚合物明膠(圖3)通過水解膠原蛋白獲得,作為一種天然蛋白質(zhì)衍生材料,經(jīng)常被用于制備醫(yī)用水凝膠,由于其良好的生物相容性、非免疫原性、優(yōu)異的生物降解性和促進(jìn)細(xì)胞黏附的能力而被廣泛應(yīng)用于傷口敷料和組織工程[23]。明膠水凝膠的功能化是研究和臨床應(yīng)用的熱點(diǎn)。通過貽貝啟發(fā)的化學(xué)反應(yīng)制備明膠基粘合劑水凝膠。通過大鼠肝出血模型用于評(píng)估明膠基粘合劑水凝膠的止血潛力,結(jié)果表明,明膠基粘合劑水凝膠在組織粘合劑、傷口敷料和可穿戴設(shè)備中具有很大潛力[24]。

圖3 明膠的結(jié)構(gòu)式[23]

Han等人[25]通過貽貝啟發(fā)化學(xué)制備了一種新型明膠基粘合劑水凝膠。明膠首先被多巴胺功能化,形成多巴胺接枝明膠(GelDA),再與1,4-亞苯基雙硼酸和氧化石墨烯(GO)混合后,通過H2O2/HRP催化體系獲得GelDA/GO水凝膠?；谒z的自愈合和組織黏附,在大鼠肝出血模型中顯示了止血性能(圖4)。此外,GO的加入賦予了導(dǎo)電性并增強(qiáng)了GelDA/GO水凝膠的機(jī)械性能,使GelDA/GO水凝膠在組織粘合劑、傷口敷料和可穿戴設(shè)備中都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖4 GelDA/GO水凝膠的大鼠肝出血模型的止血能力[25]

同時(shí),可注射明膠基水凝膠由于其細(xì)胞外基質(zhì)樣性質(zhì)可通過交聯(lián)程度調(diào)節(jié),是藥物和細(xì)胞遞送的有價(jià)值工具。研究人員使用含酸酐的低聚物,用于通過酸酐-胺共軛交聯(lián)明膠制備出可注射水凝膠,其水凝膠的交聯(lián)度和硬度由組成成分的比例控制,這種凝膠有望成為可注射藥物或細(xì)胞的載體以及生物墨水[26]。

1.4 透明質(zhì)酸

透明質(zhì)酸(圖5)是一種高分子量陰離子多糖,來(lái)源于糖胺聚糖家族。透明質(zhì)酸作為人類結(jié)締組織的主要成分之一,也參與組織修復(fù)[27]。并且由于其修飾位點(diǎn)眾多,可通過接枝、與反應(yīng)性基團(tuán)連接進(jìn)行修飾。作為傷口敷料水凝膠,可以模擬由膠原和HA組成的細(xì)胞外基質(zhì),在治療傷口時(shí),透明質(zhì)酸水凝膠在促進(jìn)血管系統(tǒng)和膠原形成方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[28]。

圖5 透明質(zhì)酸結(jié)構(gòu)式

Yang等人[29]開發(fā)了一種基于硫醇改性聚(γ-谷氨酸)(γ-PGA-SH)和氧化透明質(zhì)酸(HA-CHO)的仿生細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)水凝膠。γ-PGA-SH中的硫醇和HA-CHO中的醛基的快速可逆硫醇醛加成反應(yīng)為水凝膠提供了動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò),并賦予其適應(yīng)性和自愈能力,這些水凝膠還顯示出與天然ECM相似的典型粘彈性特征、體外和體內(nèi)降解性能以及自由基清除能力。此外,可以通過調(diào)節(jié)聚合物含量來(lái)調(diào)節(jié)水凝膠的流變行為、力學(xué)性能、多孔結(jié)構(gòu)和降解過程。此外,與商業(yè)敷料(Tegaderm TM)相比,ECM激發(fā)的水凝膠通過促進(jìn)血管生成和促進(jìn)膠原沉積,在全厚度皮膚缺損模型中顯著促進(jìn)了體內(nèi)傷口愈合。

2 自愈性原理

選擇具有自愈性的合適的材料,避免使用后不可修復(fù)的損壞,可最大限度地延長(zhǎng)其使用壽命。由于內(nèi)部化學(xué)鍵的自發(fā)重組,自愈合材料在沒有任何刺激的情況下可以實(shí)現(xiàn)自愈。本節(jié)簡(jiǎn)單概括了常見的可逆鍵和應(yīng)用實(shí)例,包括化學(xué)共價(jià)相互作用,包括亞胺鍵、?；赕I、二硫鍵、Diels-Alder反應(yīng)或配位鍵,也可以利用物理非共價(jià)相互作用,如氫鍵、疏水締合、π-π堆積或主-客體相互作用[30]。

2.1 化學(xué)交聯(lián)

2.1.1 亞胺鍵(希夫堿)

亞胺鍵是由胺和醛基縮合形成的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵,通常稱為希夫堿,可以通過亞胺鍵的斷裂和再生為水凝膠提供自愈合能力。希夫堿是少數(shù)可以在沒有刺激的情況下形成的動(dòng)態(tài)共價(jià)反應(yīng)之一[31]。希夫堿水凝膠進(jìn)行宏觀自愈實(shí)驗(yàn)和流變學(xué)測(cè)試。此外,在水凝膠網(wǎng)絡(luò)受損后,由于亞胺鍵在碎片界面上的移動(dòng),重新鏈接,水凝膠的應(yīng)力快速恢復(fù)到原始狀態(tài),使水凝膠具備了優(yōu)異的自修復(fù)性能[32]。

Guo等人[33]設(shè)計(jì)了一種特殊設(shè)計(jì)的水凝膠,具有針對(duì)難治性傷口特征的智能靶向性,用于治療慢性感染的糖尿病傷口。胺化明膠與氧化葡聚糖反應(yīng),形成與動(dòng)態(tài)希夫堿交聯(lián)的水凝膠,該水凝膠對(duì)難治傷口的低pH環(huán)境敏感。將納米ZnO加載到水凝膠中以殺死微生物。具有ROS響應(yīng)特性的芍藥苷包封膠束通過席夫堿鍵固定在水凝膠骨架上,以獲得低pH值和ROS刺激的血管生成活性。新型水凝膠的順序反應(yīng)性使難治性傷口中有害微環(huán)境的智能救援成為可能。這種高度生物相容性的水凝膠在體外表現(xiàn)出抗菌和血管生成能力,并通過順序止血、殺死微生物和血管生成活性顯著促進(jìn)慢性感染糖尿病傷口的愈合。

2.1.2 ?；赕I

與醛或酮的反應(yīng)可以產(chǎn)生可逆的?；赕I,類似于亞胺鍵,也可以發(fā)生水解和交換反應(yīng),它是一種溫度和pH敏感的自愈合效率高的化學(xué)共價(jià)鍵[34]。一旦網(wǎng)絡(luò)被破壞,斷裂面上的?；赕I斷裂成酰基和醛基,游離?；腿┗謺?huì)自動(dòng)反應(yīng)形成新的酰腙鍵。酰腙鍵在溫和的酸性環(huán)境中很容易形成,因此通過改變酸度可以實(shí)現(xiàn)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化,可用于藥物遞送。然而在溫和酸性條件下保持穩(wěn)定的酰腙鍵也限制了它們?cè)隗w內(nèi)的應(yīng)用(pH值7.4)[35]。

Hua等人[36]通過酰肼化學(xué)合成了含酮基團(tuán)的共聚物并制備成動(dòng)態(tài)共價(jià)水凝膠。通過共聚物的動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián)和iota-卡拉膠的超分子相互作用構(gòu)建了雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。雙網(wǎng)絡(luò)和母體水凝膠的拉伸試驗(yàn)表明,成功構(gòu)建了強(qiáng)韌水凝膠。將雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠前體濕法紡絲以獲得具有受控拉伸比的宏觀纖維。所得纖維達(dá)到了1.35 MPa的高強(qiáng)度或1.22 mJ/m3的大韌性。水凝膠纖維及其大塊試樣中觀察到了高效的自愈合性能。通過在酸性和加熱條件下共價(jià)和超分子網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)愈合,纖維以96%的效率實(shí)現(xiàn)了快速和接近完全的愈合。這種自修復(fù)和超韌性水凝膠纖維被用作形狀記憶纖維,用于響應(yīng)水的重復(fù)驅(qū)動(dòng),表明其在智能織物中的潛力。

2.1.3 二硫鍵

二硫鍵分子間作用力鍵很強(qiáng),但在光照射下易于交換。硫化學(xué)用于制備氧化還原敏感的溶膠-凝膠系統(tǒng),該系統(tǒng)具有自由基機(jī)制:二硫鍵可以與硫醇反應(yīng),再次生成二硫鍵和硫醇[37]。Cao等人[38]受角蛋白是一組來(lái)源于皮膚和皮膚附屬物的天然蛋白質(zhì),具有豐富的半胱氨酸殘基,以二硫鍵的形式存在的啟發(fā),通過將分子內(nèi)二硫鍵轉(zhuǎn)化為分子間二硫鍵,利用簡(jiǎn)單的二硫鍵轉(zhuǎn)移策略開發(fā)角蛋白水凝膠(圖6)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),分子內(nèi)二硫鍵首先被還原試劑(如半胱氨酸)切割,以釋放自由巰基,該自由巰基通過硫醇氧化形成分子間二硫鍵。研究表明,控制半胱氨酸水平導(dǎo)致可調(diào)的二硫化物交聯(lián)密度,從而改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、凝膠降解和藥物釋放速率。此外,由于在制備過程中避免了額外的化學(xué)交聯(lián)劑,該策略使材料具有良好的生物相容性。此外,由于基于二硫鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種角蛋白水凝膠在凝膠降解和藥物釋放方面具有氧化還原響應(yīng)能力,在組織工程和藥物釋放中具有廣泛的適用性。

圖6 角蛋白水凝膠的交聯(lián)示意圖[38]

2.1.4 Diels-Alder可逆鍵

由共軛二烯和親二烯形成的熱可逆Diels-Alder(DA)環(huán)加成在加熱時(shí)可以分離并達(dá)到新的平衡。該反應(yīng)因其良好的熱可逆特性和簡(jiǎn)單的反應(yīng)條件而得到廣泛應(yīng)用[39]。有研究報(bào)道,通過Diels-Alder反應(yīng)制備了一系列自愈合果膠/殼聚糖水凝膠用于藥物遞送,且具有良好的自愈合性和pH響應(yīng)性能[40]。其研究用糠醛對(duì)果膠進(jìn)行改性,得到共軛二烯部分。將6-馬來(lái)酰亞胺基己酸接枝到殼聚糖上合成了親雙烯部分。然后將呋喃改性果膠(PF)和馬來(lái)酰亞胺改性殼聚糖(CA)混合,通過Diels-Alder反應(yīng)制備雜化水凝膠(圖7)。通過果膠/殼聚糖復(fù)合水凝膠作為對(duì)比,可以看出Diels-Alder反應(yīng)大大提高了水凝膠的交聯(lián)密度。自愈合實(shí)驗(yàn)顯示了優(yōu)異的自愈合性能。在不同的溶脹介質(zhì)中,溶脹比發(fā)生了顯著變化,表明溶脹性能、pH值和熱響應(yīng)性良好。載藥和釋放研究顯示了高載藥效率和緩釋性能,細(xì)胞毒性試驗(yàn)顯示了良好的細(xì)胞相容性和高細(xì)胞增殖率。

(a)呋喃改性果膠的合成;(B)馬來(lái)酰亞胺改性殼聚糖;(C)通過D-A反應(yīng)制備雜化水凝膠[40]

2.1.5 配位鍵

配位鍵是一種特殊的共價(jià)鍵。當(dāng)共價(jià)鍵中共用的電子對(duì)是由其中一原子獨(dú)自供應(yīng),另一原子提供空軌道時(shí),就形成配位鍵。配位鍵可以自發(fā)形成,因此被利用于自愈水凝膠的制備[41]。

有文獻(xiàn)報(bào)道,制備可快速形成具有自愈合和可注射羧甲基殼聚糖水凝膠傷口愈合敷料,對(duì)小鼠的全層皮膚傷口具有較好的促進(jìn)愈合效果。通過加入三價(jià)鐵離子的方式,與羧甲基殼聚糖快速形成配位鍵,實(shí)現(xiàn)交聯(lián)形成自愈合水凝膠,同時(shí)具備較好的自愈合效率和生物相容性,并可以對(duì)傷口進(jìn)行有效止血。如今殼聚糖被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于傷口敷料,并不斷開發(fā)出新的功能和效果[42]。

Liang等人[43]通過鐵離子與鄰苯二酚的配位鍵和原兒茶醛的醛基和殼聚糖氨基形成希夫鍵的雙動(dòng)態(tài)鍵交聯(lián)設(shè)計(jì)了一系列具有良好性能的抗菌自修復(fù)水凝膠(圖8),含有兒茶酚和醛基的原兒茶醛(PA)和季銨化殼聚糖(QCS)能夠封閉皮膚切口并可以促進(jìn)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染的傷口愈合。鄰苯二酚交聯(lián)鐵離子和希夫堿鍵的雙動(dòng)態(tài)鍵的可逆斷裂和再形成使水凝膠具有優(yōu)異的自愈合和按需溶解或去除性能。在大鼠皮膚切口模型和感染的全層皮膚傷口模型中進(jìn)行的體內(nèi)評(píng)估顯示了智能水凝膠的高傷口閉合有效性和傷口閉合后護(hù)理,證明了其在處理感染的皮膚傷口方面的巨大潛力。

大概是人以群分，許諾從小到大，身邊都是些好看的姑娘，他也從來(lái)不掩飾自己的“膚淺”，如果連臉都看不下去，又怎么能產(chǎn)生感情？

(a)季銨鹽殼聚糖的合成;(B)配位鍵原理示意圖;(C)大鼠全層皮膚傷口的應(yīng)用[43]

2.2 物理交聯(lián)

2.2.1 疏水締合

當(dāng)疏水鏈引入親水聚合物鏈時(shí),由于疏水相互作用,它們往往自發(fā)聚集在一起形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[44]。開發(fā)同時(shí)具有良好機(jī)械性能、可靠自愈合性能和重塑能力的水凝膠仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[45]。受具有優(yōu)異機(jī)械性能和自修復(fù)性能的生物軟組織的啟發(fā),Chen等[46]通過P(S-AA)核殼納米粒子和聚合物鏈之間的非共價(jià)氫鍵相互作用以及疏水鏈的纏結(jié),從緊湊的均質(zhì)聚合物網(wǎng)絡(luò)合成了堅(jiān)韌、自愈合和重整的核殼納米粒子復(fù)合疏水締合水凝膠(MHA凝膠)。通過丙烯酰胺(AAm)和丙烯酸硬脂酯甲基酯(SMA)的原位自由基膠束共聚合成了MHA凝膠。系統(tǒng)討論了凝膠強(qiáng)度和自愈合效率與P(S-AA)核殼NPs含量的關(guān)系,結(jié)果表明,MHA凝膠具有較高的拉伸強(qiáng)度(405 kPa)、壓縮強(qiáng)度(1.24 MPa)和良好的自愈合率(77%)。在應(yīng)力下,動(dòng)態(tài)物理鍵(包括聚合物鏈和P(S-AA)核殼納米顆粒(NPs)之間的氫鍵)和疏水鏈的纏結(jié)被破壞,以有效耗散能量,均勻的水凝膠網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致平滑的應(yīng)力傳遞,這使得核殼納米顆粒復(fù)合疏水締合水凝膠(MHA凝膠)具有優(yōu)異的力學(xué)性能,例如優(yōu)異的機(jī)械性能、韌性和延展性,以及良好的自愈合性能。自修復(fù)后,MHA凝膠仍具有相當(dāng)高的機(jī)械性能。這些特性使得MHA凝膠在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有巨大潛力,如組織工程、關(guān)節(jié)軟骨和人工皮膚。

此前大多數(shù)疏水締結(jié)水凝膠是通過交聯(lián)劑實(shí)現(xiàn)疏水締合的,而研究人員通過一種生物啟發(fā)策略,通過將疏水相互作用作為犧牲鍵結(jié)合到海藻酸鹽離子網(wǎng)絡(luò)中來(lái)制備基于絲素蛋白的疏水相互作用(HA)水凝膠[47],這不僅增強(qiáng)了水凝膠的機(jī)械延展性、強(qiáng)度和韌性,而且還能夠在室溫下通過可逆疏水相互作用實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)和自愈性質(zhì),而無(wú)需外部刺激。疏水相互作用體系由疏水單體甲基丙烯酸硬脂酯(C18M)和兩親性再生絲素蛋白(RSF)溶液組成。機(jī)械測(cè)試和流變儀表明,疏水相互作用起到了犧牲鍵的作用,在外部負(fù)載下,在海藻酸鹽離子網(wǎng)絡(luò)之前優(yōu)先斷裂,這消耗了大量能量,并提高了機(jī)械性能。此外,由于疏水相互作用的存在,注射后HA凝膠的結(jié)構(gòu)可以快速恢復(fù)。此外,HA凝膠在蛋白酶XIV溶液中的降解性強(qiáng)烈依賴于C18M組分,這顯著提高了HA凝膠的降解速率。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,HA凝膠表現(xiàn)出令人滿意的生物相容性,小鼠成骨細(xì)胞可以附著并擴(kuò)散到水凝膠上?？偟膩?lái)說,具有自愈合性、生物相容性和高機(jī)械性能的HA凝膠可用于藥物輸送或其他軟組織工程。

2.2.2 氫鍵

氫鍵是形成生物系統(tǒng)二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)的最重要的物理相互作用之一。由質(zhì)子化程度和使極性官能團(tuán)質(zhì)子化的化學(xué)環(huán)境決定的這種分子間相互作用將賦予軟材料自愈性能[48]。

Li等人[49]制備了多氫鍵增強(qiáng)的聚(丙烯酰胺-co-2-乙烯基-4,6-二氨基-2-乙烯-1,3,5-三嗪)/單寧酸(P(Am-co-VDT)/TA)水凝膠。結(jié)果表明,制備的水凝膠具有兩種類型的氫鍵交聯(lián)區(qū)域:聚合物鏈上二氨基三嗪(DAT)部分和TA-鄰苯三酚/鄰苯二酚基團(tuán)之間的氫鍵“軟”區(qū)域,以及由DAT部分自身形成的氫鍵的“硬”區(qū)域。硬交聯(lián)區(qū)顯示出明顯高于軟交聯(lián)區(qū)的活化能。這種雙重物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以協(xié)同方式顯著增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械性能。因?yàn)榇嬖诙鄽滏I,水凝膠具有良好的pH敏感性和在幾分鐘內(nèi)對(duì)形狀記憶的快速響應(yīng)(圖9)。這些水凝膠具有高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的形狀記憶行為和對(duì)抗炎藥物的吸附能力,在生物醫(yī)學(xué)、組織工程和醫(yī)療材料領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。

2.2.3 主-客體相互作用

主-客體化學(xué)描述了大環(huán)化合物、基于大空腔的主體分子和一個(gè)或多個(gè)形狀匹配的客體分子之間的復(fù)雜相互作用。這些超分子水凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)可以通過選擇合適的主體來(lái)調(diào)整[50]。超分子和動(dòng)態(tài)生物材料有希望概括天然細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的時(shí)間依賴性特性和刺激響應(yīng)性。主客體化學(xué)是研究最廣泛的超分子鍵之一,但主體的結(jié)合特性-相關(guān)生物材料中的客體復(fù)合物(β-CD/金剛烷)主要集中于單一宿主-客體相互作用或非分散多價(jià)懸垂聚合物[51]。 Ooi等人[52]通過研究了多價(jià)宿主的逐步協(xié)同效應(yīng)-形成動(dòng)態(tài)生物材料的客體相互作用,表明了一系列多價(jià)金剛烷(客體)交聯(lián)劑是如何影響整體結(jié)合親和力和與海藻酸鹽CD(Alg-CD)形成超分子網(wǎng)絡(luò)的能力(圖10)。較高的多價(jià)交聯(lián)劑能夠形成水凝膠;通過在交聯(lián)劑中加入苯基間隔物,觀察到結(jié)合和凝膠化的增加。將用CD官能化的海藻酸鹽與不同價(jià)的不同PEG-ADA交聯(lián)劑混合,以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)交聯(lián)材料庫(kù)。初步篩選表明,只有將Alg-CD與8臂多價(jià)客體交聯(lián),才能形成穩(wěn)定的凝膠。這些材料有望向細(xì)胞和小分子遞送平臺(tái)發(fā)展,并允許對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行離散和微調(diào)。

圖10 主客體匹配示意圖[52]

3 傷口應(yīng)用

類似于關(guān)節(jié)傷口,糖尿病創(chuàng)面,燒傷創(chuàng)面等復(fù)雜的傷口往往不同于簡(jiǎn)單的皮膚表面創(chuàng)傷。由于創(chuàng)面面臨更復(fù)雜的外界條件和內(nèi)部狀況,對(duì)于創(chuàng)面敷料的要求更高,普通敷料往往難以勝任復(fù)雜傷口的治療,而自愈合水凝膠創(chuàng)面敷料通過賦予多種功能,可以解決復(fù)雜創(chuàng)面所帶來(lái)的多種問題。本節(jié)簡(jiǎn)單闡述了自愈合水凝膠在不同復(fù)雜傷口中的應(yīng)用。

3.1 關(guān)節(jié)傷口

設(shè)計(jì)具有優(yōu)異治療效果、自愈合性、粘附性和適當(dāng)機(jī)械性能的傷口敷料在醫(yī)療保健,尤其是關(guān)節(jié)皮膚傷口愈合方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。Qu等人[54]設(shè)計(jì)了一種具有多種功能的自愈注射膠束/水凝膠復(fù)合材料,用作關(guān)節(jié)皮膚損傷的傷口敷料。通過在一個(gè)系統(tǒng)中結(jié)合動(dòng)態(tài)希夫堿和共聚物膠束交聯(lián),通過在生理?xiàng)l件下混合季銨化殼聚糖(QCS)和苯甲醛封端的Pluronic?F127(PF127-CHO),制備了一系列水凝膠。研究了傷口敷料的固有抗菌性能、pH依賴性生物降解和釋放行為,以證實(shí)傷口敷料具有多種功能。水凝膠敷料顯示出合適人體皮膚的拉伸和壓縮性能以及良好的粘附性和承受變形的快速自愈能力。

3.2 糖尿病創(chuàng)面

糖尿病皮膚潰瘍是糖尿病的嚴(yán)重并發(fā)癥之一,發(fā)病率高,可導(dǎo)致死亡或致殘[55]。據(jù)之前文獻(xiàn)報(bào)道[56],利用殼聚糖、絲素蛋白和PRP的復(fù)合材料制備了一種自修復(fù)和可注射水凝膠(CBPGCTS-SF@PRP)用于促進(jìn)糖尿病傷口愈合。富含血小板的血漿由于其衍生的生長(zhǎng)因子(GFs)的作用而廣泛用于治療糖尿病傷口。然而,GFs的半衰期相對(duì)較短,限制了其在臨床上的應(yīng)用。此外,糖尿病傷口微環(huán)境中大量蛋白酶的存在導(dǎo)致GFs降解,進(jìn)一步阻礙血管生成和糖尿病傷口愈合。CBPGCTS-SF@PRP可保護(hù)PRP免受酶水解,持續(xù)釋放PRP,可以增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞的趨化性。結(jié)果表明,它能促進(jìn)體外修復(fù)細(xì)胞的增殖。此外,它可以通過加速2型糖尿病大鼠模型和大鼠皮膚缺損模型中的膠原沉積、血管生成和神經(jīng)修復(fù)來(lái)促進(jìn)傷口愈合。這項(xiàng)研究將為臨床上糖尿病不愈合或難愈合的傷口提供一種新的治療方法。

3.3 燒傷創(chuàng)面

燒傷是最具破壞性的皮膚創(chuàng)傷之一,每年造成180 000多人死亡。大面積不規(guī)則燒傷傷口的患者愈合緩慢[57]。動(dòng)態(tài)燒傷傷口由于其高頻運(yùn)動(dòng)而對(duì)水凝膠敷料有特殊要求。為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)燒傷創(chuàng)面的治療,研究人員設(shè)計(jì)了一種雙交聯(lián)水凝膠,由希夫堿和鄰苯二酚-Fe3+螯合鍵制備[58]。該水凝膠的雙交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致更好的物理化學(xué)性質(zhì)和治療效果。提升的理化性能比如更快的凝膠化時(shí)間,增強(qiáng)的粘合強(qiáng)度和更好的自愈性,可以使水凝膠更容易貼合動(dòng)態(tài)傷口,尤其是自愈性使水凝膠適用于形狀不規(guī)則的傷口。水凝膠不僅在傷口愈合過程中表現(xiàn)出具有優(yōu)異的抗菌活性和止血性能,而且可以促進(jìn)細(xì)胞繁殖和遷移。細(xì)胞毒性劃痕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,水凝膠促進(jìn)細(xì)胞的遷移能力(圖11)。可見自愈合水凝膠是一種很有前途的燒傷創(chuàng)面動(dòng)態(tài)敷料。

(a)細(xì)胞毒性;(b)細(xì)胞遷移;(c)細(xì)胞增殖

可見自愈合水凝膠傷口敷料適合于多種情況復(fù)雜的傷口,水凝膠被賦予的多種功能也可以保護(hù)傷口,減少感染和炎癥反應(yīng),促進(jìn)傷口的愈合,可注射性也可以使水凝膠更貼合傷口,有利于水凝膠功效的發(fā)揮,未來(lái)通過拓展水凝膠更多的功能,也將可以勝任于更復(fù)雜的傷口,比如深層創(chuàng)面,大出血傷口等。

4 水凝膠用途分類

水凝膠可以通過改性、接枝、搭載等多種方式,賦予水凝膠多種功能等。通過對(duì)水凝膠近幾年常見的用途進(jìn)行簡(jiǎn)單的歸類,并討論了一些未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)和方向。目前熱門的用途是抗菌敷料,細(xì)胞/藥物遞送載體,還有3D打印材料、生物膠水等,本節(jié)對(duì)近幾年代表性的研究進(jìn)行了匯總。

4.1 自修復(fù)抗菌敷料

傷口治療中最關(guān)鍵的問題是愈合過程中的感染控制,這是水凝膠廣泛用于防止細(xì)菌滲透的一個(gè)重要原因。然而,沒有彈性的水凝膠會(huì)因外部機(jī)械力而遭受一些變形或損壞,導(dǎo)致水凝膠破裂,破壞了保護(hù)屏障的完整性,并導(dǎo)致細(xì)菌到達(dá)傷口區(qū)域。因此,開發(fā)具有抗菌能力的自修復(fù)敷料材料在該領(lǐng)域是非常必要的[34]。Zhao等人[59]開發(fā)了一系列可注射季銨化殼聚糖-g-聚苯胺和苯甲醛官能團(tuán)水凝膠。聚(乙二醇)-聚(癸二酸甘油酯)作為抗菌、抗氧化和電活性敷料用于皮膚傷口愈合。這些水凝膠具有良好的自愈合性、電活性、自由基清除能力、抗菌活性(圖12)、粘附性、導(dǎo)電性、溶脹比和抗微生物活性以及生物相容性?？咕?導(dǎo)電性-可注射水凝膠敷料依靠自我愈合能力延長(zhǎng)了敷料的使用壽命,顯著促進(jìn)體內(nèi)傷口愈合過程,其多功能特性,這意味著它們是全厚度皮膚傷口的最佳候選敷料。

圖12 水凝膠對(duì)大腸桿菌的表面抗菌活性和對(duì)金黃色葡萄球菌的表面抗菌活性[59]

4.2 溫和細(xì)胞/藥物遞送載體

許多水凝膠被用作藥物釋放的載體,由于與天然ECM的結(jié)構(gòu)相似,細(xì)胞也可以包裹在其中[60]。然而,當(dāng)水凝膠受損時(shí),藥物突然釋放導(dǎo)致的過度局部毒性風(fēng)險(xiǎn)是不可避免的。因此,自愈水凝膠可以在破壞后恢復(fù),是避免藥物突然釋放的更好選擇。

疾病微環(huán)境刺激響應(yīng)性水凝膠在增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的藥物遞送特異性方面具有特殊的意義。為了在炎癥區(qū)域?qū)崿F(xiàn)特定的藥物釋放特性,Hu等人[61]設(shè)計(jì)了一種具有自我修復(fù)和重塑能力的智能pH和活性氧(ROS)響應(yīng)性可注射水凝膠。通過將苯硼酸接枝到海藻酸鹽聚合物的側(cè)鏈上,獲得了具有低pH和高ROS的高度特異性雙響應(yīng)水凝膠。此外,通過將抗生素阿米卡星(AM)和抗炎藥萘普生(Nap)有效組裝到膠束中,水凝膠分別具有抗菌和抗炎性能。這種水凝膠制劑不僅保持了水凝膠的結(jié)構(gòu)完整性和優(yōu)異的流變性能,而且允許在炎癥部位的可控藥物釋放速率。體外抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該水凝膠能通過釋放阿米卡星有效殺滅細(xì)菌。在pH和ROS的雙重反應(yīng)中,水凝膠顯著降低了傷口周圍組織的炎癥反應(yīng),并加速了傷口的愈合。這種含有抗生素和載藥膠束的智能水凝膠非常有希望用于局部對(duì)抗各種微生物感染,相信這一策略也可以應(yīng)用于各種疾病的治療。

合適的藥物遞送載體是有效藥物遞送的關(guān)鍵。然而,對(duì)于需要長(zhǎng)期藥物輸送的應(yīng)用,需要改進(jìn)藥物在載體中的突然釋放,因?yàn)樗幬锏耐蝗会尫趴赡軐?dǎo)致過度的局部毒性。因此,能夠通過動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)保持完整結(jié)構(gòu)的自愈合材料是藥物緩釋系統(tǒng)的理想選擇。同時(shí),在組織工程方面,延長(zhǎng)使用壽命的自愈水凝膠也可以支持細(xì)胞的持續(xù)生長(zhǎng)。

Sharma等人[62]制備了新的黃原膠-聚(乙二醇)(PEG)水凝膠,由多糖、氧化黃原膠和8臂PEG肼通過動(dòng)態(tài)鏈接、pH響應(yīng)和生物可降解的腙鍵交聯(lián)而成,并具有優(yōu)異的自愈能力。MTT分析表明,氧化黃原膠和PEG肼對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞(NIH-3T3)沒有毒性,當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到1 mg/mL時(shí),細(xì)胞活性分別為84.66%和102%。包封NIH-3T3細(xì)胞的活/死試驗(yàn)顯示沒有顯著的死細(xì)胞群,表明水凝膠在2D和3D培養(yǎng)中具有良好的相容性。當(dāng)暴露于從水凝膠釋放的培養(yǎng)基時(shí),負(fù)載DOX的水凝膠顯示出對(duì)A549細(xì)胞的細(xì)胞毒性?？傮w而言,此研究中開發(fā)的水凝膠可能在藥物遞送和細(xì)胞遞送的3D細(xì)胞培養(yǎng)中具有潛在應(yīng)用。

4.3 3D打印

3D打印是即快速成型技術(shù)的一種,又稱增材制造,是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),利用可粘合材料,通過逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[63]。

殼聚糖因其優(yōu)異的生物相容性、抗菌活性、生物降解性、零毒性和低成本而作為3D打印水凝膠的生物油墨而受到廣泛關(guān)注。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[64],使用酚官能化殼聚糖和二苯甲醛封端的遙螺旋聚(乙二醇)開發(fā)了殼聚糖自愈合水凝膠,可用于可注射水凝膠和可打印油墨。殼聚糖的酚官能化可以引入獨(dú)特的相互作用,使水凝膠具有快速凝膠化速率、良好的自愈能力、長(zhǎng)程臨界凝膠行為以及二次可見光交聯(lián)能力。水凝膠易于在注射器中預(yù)成型,以產(chǎn)生連續(xù)且可堆疊的細(xì)絲,成功地將負(fù)載細(xì)胞的水凝膠印刷成3D構(gòu)建體。此外,殼聚糖自愈合水凝膠被開發(fā)用于模塊化3D打印,其中水凝膠模塊被單獨(dú)打印并組裝成集成結(jié)構(gòu),然后進(jìn)行二次交聯(lián)。多功能殼聚糖自愈合水凝膠在未來(lái)將開辟許多潛在應(yīng)用,特別是在3D生物打印和模塊化3D生物打印方面。

然而,3D打印殼聚糖支架缺乏足夠的強(qiáng)度,從而限制了其在組織工程中的應(yīng)用。Zhou等人[65]利用了通過該殼聚糖油墨在低溫下是一種穩(wěn)定的溶液,但一旦加熱,殼聚糖鏈就會(huì)自組裝,導(dǎo)致凝膠化的原理,開發(fā)了相應(yīng)的直接墨水書寫(DIW)方法來(lái)印刷高強(qiáng)度殼聚糖水凝膠。具體而言,將殼聚糖油墨擠出到加熱的去離子水中以完成原位凝膠?？刂茋娮旌蜔崴臏囟确€(wěn)定,以保持印刷過程穩(wěn)定,也可以直接印刷高強(qiáng)度和復(fù)雜的殼聚糖水凝膠結(jié)構(gòu)。應(yīng)用3D打印的方法制備的水凝膠印刷支架在組織工程中將具有巨大的前景和價(jià)值。

4.4 生物膠水(組織粘合劑)

手術(shù)刀口的閉合和止血問題一直是手術(shù)治療后期不可避免的問題,因此需要開發(fā)更合適的組織粘合劑和止血?jiǎng)﹣?lái)解決問題[66]。有研究報(bào)道通過在溫和條件下原位化學(xué)交聯(lián)明膠(G)和透明質(zhì)酸(HA)制備了可注射水凝膠[67]。通過研究了水凝膠的流變學(xué)分析、生物相容性、組織密封和止血能力,發(fā)現(xiàn)自交聯(lián)明膠(sc-G)和明膠/透明質(zhì)酸(G/HA)水凝膠可被胰蛋白酶降解,具有良好的生物相容性。該水凝膠的組織密封能力優(yōu)于對(duì)照的蛋白膠,而且止血性能良好,在臨床上用作組織密封劑或外科止血?jiǎng)┚哂芯薮蟮拈L(zhǎng)期應(yīng)用潛力。

Li等人[68]利用快速且特異的Diels-Alder環(huán)加成反應(yīng),通過對(duì)殼聚糖使用無(wú)銅點(diǎn)擊化學(xué)來(lái)制備一系列生物黏合劑。生物黏合劑的凝膠時(shí)間可以優(yōu)化為小于2 min,這滿足了實(shí)際手術(shù)傷口閉合的需要。通過添加四臂聚乙二醇丙醛作為共交聯(lián)劑,生物膠的粘合強(qiáng)度優(yōu)化為傳統(tǒng)纖維蛋白膠的2.3倍。通過調(diào)整共交聯(lián)劑的用量,可以調(diào)整殼聚糖生物黏合劑的溶脹率和孔徑,以適應(yīng)藥物封裝和細(xì)胞接種的需要。殼聚糖生物黏合劑在體外無(wú)明顯細(xì)胞毒性。通過小鼠皮膚切口傷口模型,發(fā)現(xiàn)殼聚糖生物黏合劑比纖維蛋白膠能夠更快地閉合傷口并促進(jìn)傷口愈合。

5 期望和建議

近幾十年來(lái),用于促進(jìn)組織修復(fù),抑制微生物,減少炎癥的智能傷口敷料備受關(guān)注。水凝膠由于其獨(dú)特的性質(zhì),如生物相容性、高含水量、保濕性和搭載藥物或細(xì)胞的控制釋放,被認(rèn)為是最有希望的傷口治療敷料之一。同時(shí),水凝膠自愈合機(jī)械損傷的能力在創(chuàng)傷應(yīng)用中至關(guān)重要。本文簡(jiǎn)要介紹了天然材料為基礎(chǔ)制備的自愈水凝膠敷料的主要材料,自愈原理過程,傷口應(yīng)用和創(chuàng)新應(yīng)用?？偟膩?lái)說,自愈凝膠有望在未來(lái)解決更多的問題。迄今為止,隨著人口老齡化加重,肥胖和糖尿病病例的不斷增加,患有慢性或難愈合傷口的病患數(shù)量顯著增加,抗生素耐藥性普遍,有些病患的傷口甚至是多重感染、深層創(chuàng)傷等,情況極其復(fù)雜,如何減輕患者的病痛,減少傷口感染風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)成為臨床治療中的重中之重。

天然材料自愈水凝膠傷口敷料的功能和應(yīng)用在不斷地全面和完善可以通過抑制感染,減少炎癥,促進(jìn)細(xì)胞遷移增殖,以及增強(qiáng)傷口血管的形成,以縮短傷口愈合時(shí)間,減少患者的病痛。因此,在傷口敷料應(yīng)用方面,具有生物活性的天然材料水凝膠值得在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步研究,而未來(lái)對(duì)于自愈合水凝膠新形態(tài)應(yīng)用的探索將是重中之重,比如用自愈合水凝膠通過其可注射性進(jìn)行3D打印或靜電紡絲,新的形態(tài)將賦予水凝膠更多的優(yōu)勢(shì),甚至有望解決水凝膠透氣性較差的問題。此外,如何使自修復(fù)水凝膠更好應(yīng)用于復(fù)雜傷口以及提高水凝膠促進(jìn)傷口愈合的效率也是未來(lái)的研究重點(diǎn)。