由于不可避免的运动和固定困难，在特殊区域中的伤口治疗具有挑战性。普通棉纱布具有关节表面覆盖不完全，关节运动受限，缺乏抗菌功能以及频繁更换的问题。水凝胶由于其良好的柔韧性和生物相容性而被认为是伤口敷料的良好候选者。然而，常规水凝胶的粘合，机械和抗菌性能并不令人满意。

中山大学附属第六医院Hui Wang和Dingcai Wu（通讯作者）研究员，将由细菌纤维素（BC）纳米纤维接枝的阳离子聚电解质刷引入聚多巴胺/聚丙烯酰胺水凝胶中。一维聚合物刷子具有坚硬的BC主链，可增强水凝胶的机械性能，实现高拉伸强度（21–51 kPa），大拉伸应变（899–1047％）和理想的压缩性能。束缚的聚合物刷的带正电的季铵基团为水凝胶提供持久的抗菌性能，并促进带负电的表皮细胞的爬行和增殖。此外，水凝胶富含儿茶酚基团，能够粘附在各种表面上，满足特殊区域大运动的粘合剂需求。具有上述优点，水凝胶在大鼠体内伤口愈合中表现出较少的炎症反应和更快的愈合速度。因此，多功能水凝胶显示出稳定的覆盖、小的位移、持久的抗菌性和快速的伤口愈合，证明了伤口敷料的前景。相关成果以“Highly Stretchable, Adhesive, Biocompatible, and Antibacterial Hydrogel Dressings for Wound Healing”为题发表在《Advanced Science》上。

图文解读
图1.可拉伸，粘合和抗菌水凝胶的示意图。

a）通过使用SI-ATRP从BC接枝pDADMAC制备BCD。 b）BCD / PDA / PAM水凝胶的形成。 c–e）不同形状的10‰BCD / PDA / PAM水凝胶。 f）BCD的季铵盐为BCD / PDA / PAM水凝胶提供了抗菌性能。 g）可伸展的BCD / PDA / PAM水凝胶完全覆盖肘关节。 h）PDA组分的邻苯二酚基团促进水凝胶的组织粘附。

对于传统的PDA / PAM水凝胶，多巴胺的预聚合通常在弱碱性（pH = 8）环境中进行，这可能会影响酸性反应物的稳定性。在此，首先将BCD分散在多巴胺水溶液中。考虑到多巴胺可以在氧化剂的作用下进行预聚合，在我们的研究中，过硫酸铵（APS）用于多巴胺的预聚合（图1b，步骤2），这可以避免使用常规的碱性条件和冰浴。在高速搅拌下，溶液的颜色在室温下从白色逐渐变为白色需要25min。随后，将丙烯酰胺和交联剂添加到反应体系中（图1b，步骤3）。剩余的APS直接用作引发剂来合成BCD / PDA / PAM水凝胶（例如10‰BCD / PDA / PAM水凝胶，图1c）。在60°C的室内进行3小时反应后，胶凝作用就完成了与其他研究相比，我们制备水凝胶的整个过程简单、温和，没有pH控制和冰浴。所获得的10‰BCD / PDA/ PAM水凝胶显示出可拉伸和粘合特性（图1d，e，g）。

图2. SEM图像和FT-IR光谱。

a）BC和b，c）BCD的SEM图像； （b）的插图是Cl的元素映射。 d）数字照片和e）10‰BCD / PDA / PAM水凝胶的SEM图像。 f）多巴胺，丙烯酰胺，BCD和10‰BCD / PDA / PAM水凝胶的FT-IR光谱。

BC的原始光滑细纤维在接枝pDADMAC后变得粗糙（图2a–c）。元素图显示BCD表面存在氯，证实了BC的成功聚合修饰（图2b，插图）。

水凝胶产品的PDA成分中富含的邻苯二酚基团可以增强细胞亲和力，组织粘附和细胞增殖（图1h）），已被应用于许多生物医学水凝胶。10‰BCD / PDA / PAM水凝胶是透明的浅棕色（图2d）。冻干后，10‰BCD / PDA / PAM水凝胶显示出一个多孔网络，孔径为3-5 µm（图2e）。对于BC / PAM和PDA / PAM水凝胶，其孔径约为≈5–20 µm（图S7，支持信息）。如10‰BCD / PDA / PAM水凝胶的FT-IR光谱所示（图2f），1668 cm-1处的峰归因于良好的回弹力可承受较大的变形和较高的抗压强度，使其有资格满足作为水凝胶敷料的韧性要求。

图3.力学性能测试。

a）将10‰BCD / PDA / PAM水凝胶压缩至60％的应变，并在释放后恢复其原始形状。 b）10‰BCD / PDA / PAM水凝胶拉伸试验的数码照片，显示其高拉伸性。 c）10‰BCD / PDA / PAM水凝胶的循环压缩加载-卸载测试。 d）不同BCD含量和PDA / PAM水凝胶的BCD / PDA / PAM水凝胶的拉伸应力-应变曲线。 e）在400％的张力下对10‰BCD / PDA / PAM水凝胶进行循环拉伸试验。 f）使用猪皮进行膝部剪切试验的数码照片。 g）BCD / PDA / PAM和PDA / PAM水凝胶的粘合强度。误差棒显示标准偏差（n = 3）。 h）BCD / PDA / PAM水凝胶在不同粘合周期下粘合强度的变化。误差棒显示标准偏差（n = 3）。 i）附着在人体经常运动的关节上的10‰BCD / PDA / PAM水凝胶的数码照片。

如图3b所示，可以将10‰BCD / PDA / PAM水凝胶拉伸至其初始长度的10倍左右。具有不同BCD比率的BCD / PDA / PAM水凝胶的拉伸菌株的范围为899％至1047％（图3d），优于其他水凝胶伤口敷料（通常低于100％）。[5,24a，30]添加与PDA / PAM水凝胶（1207％）相比，BCD的交联度提高了，应变略有降低，但水凝胶的韧性有所提高。 BCD / PDA/ PAM水凝胶的拉伸强度随BCD含量的增加而增加，表明BCD具有增强作用。与PDA / PAM水凝胶（11 kPa）相比，随着BCD比从5‰增加到15‰，断裂拉伸强度从21 kPa大大增加。在循环拉伸试验中，在第一个循环后观察到了较小程度的应力降低，这归因于BCD网络的韧性（图3e）。在随后的循环中，应力保持几乎相同的值，表明能量消耗较小。

为了评估BCD / PDA / PAM水凝胶作为医用粘合剂的潜在用途，使用猪皮进行了体外搭接剪切测试（图3f）。粘合强度保持在15至20 kPa之间（图3g），高于商业纤维蛋白胶和其他水凝胶敷料（通常为7.3–15.38 kPa）。BCD / PDA / PAM水凝胶中BCD和PDA的键合可能会消耗掉邻苯二酚基团的一小部分羟基。另外，BCD的引入改善了BCD / PDA / PAM水凝胶的刚度，这会影响聚合物的柔韧性，然后降低界面的共粘力。这些可能是与PDA / PAM水凝胶相比BCD / PDA / PAM水凝胶的粘合强度降低的原因（图3g）。为进一步验证粘合的可重复性，需要9个循环在猪皮上进行了剥离测试（图3h）。BCD / PDA / PAM水凝胶的粘合强度随循环次数的增加而略有下降，但仍能满足水凝胶敷料的粘合要求。为了进一步通过反复拉伸来测试水凝胶的稳定性，将10‰BCD / PDA / PAM水凝胶固定在动态皮肤表面上，包括肘部，腕部和指间关节。发现在此测试过程中，水凝胶的位置是固定的，没有任何回缩或破裂（图3i）。这些以上的良好机械性能和优异的粘合性能降低了BCD / PDA / PAM水凝胶的含量，可满足重复拉伸的需求以及在实际使用中对水凝胶敷料具有良好的组织粘合性。

图4.灭菌测试。

a）在5‰BCD / PDA / PAM，10‰BCD / PDA / PAM和15‰BCD / PDA / PAM水凝胶组中，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长曲线随培养时间的变化，以及对照组（培养液）。误差棒显示标准偏差（n = 3）。 b）S的数码照片。在48小时后与水凝胶共培养金黄色葡萄球菌（105CFU，4 mL）和大肠杆菌（105 CFU，4 mL）溶液。 c）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的活/死染色，将大肠杆菌与水凝胶共培养24小时后。插图数码照片显示琼脂平板上金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的细菌菌落持续24 h。

灭菌的原理主要来自于正电荷，其可以通过静电力吸附带负电荷的细菌，并累积在细菌壁上，从而导致细菌的生长抑制和死亡。引入了高正电荷的BCD pDADMAC刷子，以提供具有抗菌性能的BCD / PDA / PAM水凝胶（图1f）。通过将BCD / PDA / PAM水凝胶浸入金黄色葡萄球菌中进行接触灭菌实验（金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）培养液，以评估其抗菌性能。实验组是将具有不同BCD比率的BCD / PDA / PAM水凝胶浸入含有细菌的培养液中，而对照组只是含有细菌的培养液。测定在不同时间培养的细菌的光密度（OD600）值。如图4a所示，对照组中金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的OD600值分别在第8和6小时显着增加，并在第12小时达到峰值。在实验组中，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的OD600值在96 h的测量时间内没有增加10‰BCD / PDA / PAM和15‰BCD / PDA / PAM水凝胶，表明细菌被完全杀死。对于5‰BCD / PDA / PAM水凝胶，金黄色葡萄球菌的OD600值在24小时后开始增加，并在第48小时达到峰值，而大肠杆菌的OD600值在12小时后开始增加。 48小时后也达到峰值。这表明BCD比率越高，抗菌性能越好，抗菌持续时间越长。细菌培养液的浊度与细菌数有关。观察到48h后10‰BCD / PDA / PAM水凝胶和15‰BCD / PDA / PAM水凝胶的培养液澄清，而5‰BCD / PDA / PAM水凝胶和对照组的培养液则清澈。48小时后仍然多云，这与细菌生长曲线一致（图4b）。24小时后，还提取了少量细菌溶液用于活/死细菌实验（图4c）和琼脂平板实验（图4c，插图）。 15‰BCD /PDA / PAM水凝胶组中的所有细菌都基本被杀死。10‰BCD/ PDA / PAM水凝胶组散布着少量细菌。5‰BCD / PDA /PAM水凝胶组中细菌含量适中，而对照组中细菌含量较高。结果清楚地表明，当BCD含量超过10‰时，BCD / PDA / PAM凝胶表现出高效，持久的抗菌效果。

图5.生物相容性。

a）BMSCs的CCK-8测定，b）培养1、3和5天后BCD / PDA / PAM水凝胶的细胞活力。误差线显示标准偏差（n = 3），* p <0.05（单向方差分析，然后进行Bonferroni多重比较检验）。 c）培养3天后，在BCD / PDA / PAM水凝胶组和对照组（培养液）上的BMSC的荧光显微镜观察。比例尺：200 µm。 生物相容性良好的生物相容性是用于伤口愈合的水凝胶的另一个先决条件。OD450值表明，随着培养时间的增加，BMSCs在BCD / PDA / PAM水凝胶实验组和对照组的增殖活性逐渐增加（图5a）。更重要的是，在第5天，BCD / PDA / PAM水凝胶的OD450值高于对照组（p <0.05）（图5a）。在测试时间内，所有样品的细胞活力几乎达到90％以上，这证实了BCD / PDA / PAM水凝胶的无毒性质。另一方面，在第5天，所有BCD / PDA / PAM水凝胶的细胞通过能力均高于100％（图5b）。关于OD450值和细胞活性的结果证实，BCD / PDA / PAM水凝胶不仅具有良好的细胞相容性，而且可以进一步促进细胞增殖。为了更直观地观察细胞活力，DAPI和肌动蛋白追踪绿色系统使用了在水凝胶上培养的骨髓间充质干细胞的免疫荧光染色法。BMSC在所有水凝胶上均显示正常的细胞骨架（绿色）和细胞核（蓝色）形态。对于水凝胶，细胞呈纺锤状分布，并形成较高密度的均匀细胞层，显示出比对照组更好的细胞附着，扩散和保留性能（图5c）。因此，良好的生物相容性使BCD / PDA /PAM水凝胶成为水凝胶敷料的安全候选材料。 图6.伤口回复率对比。

a）从第0天到第15天，BC / PDA / PAM和10‰BCD / PDA / PAM水凝胶组以及未经水凝胶敷料治疗的对照组的伤口代表性数字照片。比例尺：10 mm。 b）不同时期的伤口痕迹。 c）每组在不同天的伤口面积比率的变化。误差线显示标准差（n = 3），p <0.01或 p <0.001（单向ANOVA，然后进行Bonferroni多重比较测试）。 d）每组在新再生的皮肤组织的第5、10和15天进行HE染色和e）Masson染色。比例尺：100 µm。 水凝胶植入后，观察到水凝胶覆盖的伤口愈合了与对照组相比，伤口的愈合速度更快，新组织的发红和肿胀变得更少（图6a）。这主要是由于邻苯二酚基团具有良好的生物相容性和细胞粘附力。此外，添加BCD或BC构成的多网络结构也有利于细胞的爬行和定植。为了可视化伤口愈合过程中伤口面积的变化，使用ImageJ和Power Point软件绘制了伤口痕迹图（图6b）。定义为伤口愈合面积与初始缺损面积之比的伤口面积比，用于定量评估不同水凝胶治疗伤口组的伤口愈合率（图6c）。实验组的伤口愈合显着优于对照组。例如，在第5天，用10‰BCD / PDA / PAM水凝胶治疗的伤口在所有组中显示出最小的伤口面积比。 组织学分析用于评估BCD / PDA / PAM和BC / PDA / PAM水凝胶实验组和未经水凝胶敷料处理的对照组在第5、10和15天的缺陷中再生表皮的分布情况（图6d）。根据苏木精-伊红（HE）染色估计炎症反应和细胞增殖。在HE染色的第5天，在所有三个组中均观察到炎性反应。对照组的炎症反应最严重。而在BC / PDA / PAM水凝胶组中，炎症消退，炎症细胞减少。与之形成鲜明对比的是，10‰BCD / PDA / PAM水凝胶组的炎症反应最轻，说明其愈合效果更好。在第10天和第15天，一组10‰BCD / PDA / PAM水凝胶显示出更密集的肉芽组织沉积和更好的胶原束，如在全层真皮伤口中的蓝色染色所示（图6e）。相反，BC / PDA /PAM水凝胶组和对照组的胶原束破裂均较差，蓝色染色区较小。 以上结果表明，BCD / PDA / PAM水凝胶可在感染伤口的愈合中发挥关键作用。水凝胶的粘附和正电荷富集可以促进成纤维细胞的爬行，粘附和繁殖。水凝胶还促进了胶原蛋白的产生和沉积。另一方面，水凝胶具有杀死粘附细菌的抗菌能力，因此大大降低了炎症反应并加速了伤口的愈合。 小结

作者已经成功地制造出了一种具有可拉伸性，粘合性和抗菌性的多功能水凝胶敷料，可用于伤口愈合。优化了合成步骤，使其在室温下操作，避免使用弱碱性缓冲溶液。BCD / PDA / PAM水凝胶的机械性能，抗细菌能力和生物相容性由于引入BCD而大大提高。组织良好的水凝胶体系具有良好的拉伸性，韧性和附着力。体外抗菌实验表明，BCD / PDA / PAM水凝胶具有高效，持久的抗菌性能。体外细胞毒性表明BCD / PDA /PAM水凝胶无毒，可促进细胞生长和增殖。用10‰BCD/ PDA / PAM水凝胶处理的大鼠体内伤口愈合15天显示出更快的组织再生。15天后，胶原蛋白沉积也得到了增强，几乎没有疤痕形成。总之，他们的BCD / PDA / PAM水凝胶在新型伤口敷料中显示出很高的潜力，特别是对于动态活动区域的伤口，半污染切口，感染的手术伤口以及需要经常更换敷料的其他伤口。

来源：高分子凝胶与网络