应化所肖春生/陈学思院士《AFM》串联动态共价键的可注射自愈水凝胶伤口敷料

【科研摘要】

快速凝胶化和按需溶解是控制临床水凝胶伤口敷料有效性的关键特征。最近， 中国科学院长春应用化学研究所，生态环境高分子材料重点实验室 肖春生副研究员 /陈学思院士 提出了一种具有快速胶凝作用和半胱氨酸特异性按需溶解的可注射自愈水凝胶被设计用作伤口敷料。相关论文以题为 Injectable Self‐Healing Hydrogel Wound Dressing with Cysteine‐Specific On‐Demand Dissolution Property Based on Tandem Dynamic Covalent Bonds 发表在《先进功能材料》上。 水凝胶的制备基于串联动态共价键，该动态共价键由通过无催化的 Knoevenagel缩合反应和硼酸酯键产生的C=C双键组成。 制备的水凝胶显示出极好的 可注射性和自我修复 能力，由于噻唑烷醇硼酸酯复合物的形成，显示出半胱氨酸触发的按需快速溶解。当用作 治疗全层伤口的敷料 时，水凝胶显示出良好的生物相容性，可在 数秒内迅速闭合伤口 ，并能按需快速溶解以更换敷料。这些数据突显了设 计的基于串联动态共价键的水凝胶敷料在有希望的伤口愈合应用中的实用性。

示意图1 . 具有半胱氨酸特定的按需溶解特性的可注射自愈水凝胶的制备示意图，用作按需可移动伤口敷料。 a）根据2-FPBA与PVA和4-臂PEG-CA的反应制备水凝胶。b）暴露于PBS中的半胱氨酸溶液时，由于2-噻吩甲酸酯和2-半胱氨酸的反应形成了噻唑烷硼酸硼酸盐（TzB）复合物，因此最终的2-FBC水凝胶可能会溶解。c）当用作敷料时，2-FBC水凝胶能够快速闭合开放性伤口，并且可以通过半胱氨酸治疗按需溶解以无创去除，从而促进伤口愈合。

【主图见析】

图1 A）2-FPBA与mPEG-CA之间的反应导致mPEG-CA-BA的形成以及半胱氨酸诱导的mPEG-CA-BA的解离。拟议的形成噻唑烷基硼酸酯（TzB）的途径。B，C）mPEG-CA和2-FPBA在37°C时的反应混合物的时间依赖性UV-vis吸收光谱。在这种情况下，将5％的聚合物混合物在37°C下温育，得到等分试样并稀释至0.025％以进行UV-vis测量。D）半胱氨酸（0.01 mmol）处理10分钟后2-FPBA，mPEG-CA，2-FPBA和mPEG-CA的混合物以及2-FPBA（0.01 mmol）和mPEG-CA的混合物的1H NMR光谱 在D2O中。E）半胱氨酸（0.25 mmol）处理10分钟后2-FPBA和mPEG-CA（0.05 mmol）混合物的ESI-MS光谱。F）在指定的小分子（0.05 mmol）存在下，反应混合物中（2-FPBA）单体（5％）消失的图。

图2通过 2-FPBA介导的三组分缩合制备可注射的自愈水凝胶并进行表征。 A）由4臂PEG-CA，PVA和2-FPBA形成的水凝胶的制造。B）在37°C下不同浓度下的2-FBC水凝胶的储能模量（G ʹ ）和损耗模量（G ʺ ）是时间的函数。C）在37°C时10％2-FBC水凝胶的剪切应力扫描测试。D）10％2-FBC水凝胶的粘度在0.1到100 s-1的剪切速率下。E）可以通过细针注射10％2-FBC水凝胶而不会阻塞。2–FBC水凝胶用若丹明B染色以进行可视化。比例尺：1厘米。F）在室温下以1％和500％的交 替应变评估 10％2-FBC水凝胶的自愈能力。G）突出了2-FBC水凝胶自愈过程的图像。i）形成两种水凝胶。ii）水凝胶的组合。iii）水凝胶的自我修复能力。比例尺：1厘米。iv）自愈水凝胶可承受高达3.37 g的负荷而不会破裂。v）自修复后2-FBC水凝胶的SEM图像。比例尺：150 µm。水凝胶分别用若丹明B（红色）和钙黄绿素（黄色）染色。

图3 半胱氨酸触发了 2-FBC水凝胶的按需溶解。 A）2-FBC水凝胶被半胱氨酸解交联（溶解）的示意图。B）用PBS（pH 7.4）或半胱氨酸（Cys）溶液（0.2 m，pH 7.4）处理20分钟之前和之后的2-FBC水凝胶（10％）的图像。C，D）PBS（pH 7.4），PBS（pH 7.4）+0.2 m葡萄糖和PBS（pH 7.4）+半胱氨酸中2-FBC水凝胶（10％）的降解。E）2-FBC水凝胶（10％）在含有不同浓度半胱氨酸的PBS（pH 7.4）中的溶解时间。F）用半胱氨酸（0.2 m）处理10分钟之前和之后的2-FBC水凝胶（10％）的SEM图像。G）暴露于0.2 m生物分子（谷胱甘肽，胱氨酸，丝氨酸，组氨酸，葡萄糖，赖氨酸和半胱氨酸）（pH 7.4）时，溶解10％2-FBC水凝胶。将G'值归一化为每次测量的最高G'值。H）2-FBC水凝胶的图像（10％）粘附在猪皮肤组织上，并按需溶解在半胱氨酸浸泡的纱布中（PBS中0.1 m的半胱氨酸溶液）。罗丹明B染色进行可视化。

图4 2-FBC水凝胶的黏附行为和体内伤口愈合效果。 A）强烈冲洗后，2-FBC水凝胶牢固地粘附在橡胶手套上，可以承受3.4 g的负荷。图像显示水凝胶在猪皮肤上的附着力。B）2-FBC水凝胶可以成型并适合伤口的形状。C）2-FBC水凝胶伤口处理过程的示意图。水凝胶每隔一天更换一次。D）用PBS（pH 7.4），市售伤口敷料Prontosan，D-水凝胶（将2-FBC水凝胶注射到伤口区域然后进行手术切除）和R-水凝胶（将2‐FBC水凝胶注入伤口区域并通过半胱氨酸诱导的溶出去除）。E）每组在指定时间点的伤口面 积的定量分析。 F）每个治疗组伤口组织的H＆E染色组织学图像（黄色箭头：毛囊，绿色箭头：皮脂腺，黑色箭头：炎性细胞）。比例尺：200 µm。放大图像的比例尺为40 µm。G）第15天皮肤组织再生的Masson染色组织学图像。比例尺：200μm。H）基于Masson染色的不同治疗组中的胶原含量（％）；PBS处理组的数据取为100％。

图5 A）在免疫荧光标记肿瘤坏死因子-α（TNF-α）（红色）后第3、7和15天，皮肤伤口组织的代表性图像。比例尺：50 µm。B）量化TNF-α阳性荧光的相对百分比。所有分析在第3天将PBS处理组的相对荧光百分比设置为100％。C）在用血管内皮生长因子（VEGF）（红色）进行免疫荧光标记后第7和15天皮肤伤口组织的代表性图像。比例尺：50 µm。D）量化VEGF阳性荧光的相对百分比。

【总结】

研究团队开发了一套由 CKC反应和硼酸酯形成的由C = C双键组成的串联动态共价键，用于构建具有快速凝胶和半胱氨酸特定按需溶解特性的水凝胶敷料。该水凝胶可注射，可自我修复，并且可以通过形成TzB复合物而被半胱氨酸特异性降解。当用作伤口敷料来治疗全层伤口时，水凝胶可在几秒钟内迅速闭合伤口，半胱氨酸触发按需溶解以换敷料。使用2-FPBA作为交联剂来构建具有快速按需溶解特性的动态水凝胶可能会为伤口敷料开辟新途径，并进一步扩大基于Knoevenagel缩合反应的动态水凝胶的应用。

参考文献： doi.org/10.1002/adfm.202011230

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