《Acta Biomaterialia》：基于明胶、聚多巴胺和纳米粘土协同作用的坚韧粘性水凝胶 Janus 粘膜敷料

《Acta Biomaterialia》：基于明胶、聚多巴胺和纳米粘土协同作用的坚韧粘性水凝胶 Janus 粘膜敷料

Title: Janus Mucosal Dressing with a Tough and Adhesive Hydrogel based on Synergistic Effects of Gelatin, Polydopamine, and Nano-clay

Authors: Heng An , Zhen Gu* , Liping Zhou , Songyang Liu , Ci Li , Meng Zhang , Yongxiang Xu , Peixun Zhang , Yongqiang Wen*

Acta Biomaterialia ( IF 10.633 )

Pub Date: 2022-07-12 ,

DOI:10.1016/j.actbio.2022.07.016

摘要

由于口腔中存在大量唾液，伴随的口腔运动以及口腔内无意识的吞咽，因此在治疗高度流行的口腔粘膜疾病和口服药物输送方面存在许多问题和挑战。因此，理想的口腔敷料应在口腔内具有稳定的附着力和超强的韧性。然而，这一基本要求极大地限制了合成粘性敷料在口腔敷料中的使用。

在这里， 北京科技大学 - 顾振，温永强 （通讯作者）团队开发了 一种受贻贝启发的 Janus 明胶 - 聚多巴胺 - 纳米粘土 (GPC) 水凝胶，通过明胶 (Gel) 、纳米粘土和多巴胺 (DA) 的协同物理和化学相互作用来控制粘附性和韧性。该水凝胶不仅具有很强的湿粘附力（ 63 kPa ），而且具有很高的韧性（ 1026 ± 100 J m-3 ） 。水凝胶的界面粘附是通过调节水凝胶的儿茶酚基团与组织表面的特定官能团（例如， NH2 、 SH 、 OH 和 COOH ）的相互作用来实现的。水凝胶的基质消散受明胶的物理交联、明胶与聚多巴胺的化学交联（迈克尔加成和席夫碱形成）和纳米粘土诱导的分子链约束调节。此外， GPC 水凝胶显示出高细胞亲和力，有利于细胞粘附和增殖。水凝胶的即时和强大的粘膜粘附特性 为药物提供了持久的治疗效果，从而促进了口腔溃疡的愈合。因此，受贻贝启发的湿粘附 Janus GPC 水凝胶可用作粘膜敷料和药物输送系统的平台。相关成果以“ Janus Mucosal Dressing with a Tough and Adhesive Hydrogel based on Synergistic Effects of Gelatin, Polydopamine, and Nano-clay ”为题发表在《 Acta Biomaterialia 》上。

图文导读

图 1. 结合 Janus、粘附、韧性、药物释放和粘附机制的最佳黏膜贻贝型敷料。 (a) 用于治疗口腔疾病的 Janus GPC 黏膜敷料。 (b) 通过调节多巴胺和纳米粘土的协同作用设计 Janus GPC 水凝胶的贴片。

图 2. GPC 水凝胶的粘合强度和机理。 (a) GPC 水凝胶对以下表面表现出很强的附着力：离心管、橡胶塞、叶子和铁块。 (b) GPC 对组织表面表现出很强的粘附性：皮肤、心脏、肾脏和口腔。 (c) 水凝胶粘附强度 (Gel、GC、GP 和 GPC) 的比较。 (d) DA 含量对水凝胶粘合强度的影响。 (e) GPC 水凝胶20 个循环的粘附力。 (f) GPC 水凝胶的粘附机制：水凝胶中的儿茶酚基团可以与组织中的生物分子（氨基、氢和硫醇）相互作用。

图 3. Gel、GP、GC 和 GPC 水凝胶的机械特性、形态和机理。 (a) 拉伸拉伸试验得到的 GPC 水凝胶的应力-应变曲线； (b) 各种水凝胶的强度、延展性和 (c) 断裂能； (d) Gel、GP、GC 和 GPC 水凝胶的 SEM 观察。 (e) 不同成分的水凝胶贴片的储能模量 (G')； (f) 不同成分的水凝胶贴片的损耗模量 (G'')； (j) GP 和 GPC 水凝胶在动态机械刺激下的分子行为。

图 4. Gel、GP 和 GPC 水凝胶的细胞相容性研究。

图 5. GPC 水凝胶的药物释放和口腔溃疡的治疗。

图 6. 未处理组、GPC 组和 GPC@Dex 组的组织学和免疫组化观察结果。

图 7. 8天后未处理和 GPC 水凝胶处理（GPC 和 GPC@Dex）SD 大鼠器官的 H&E 染色组织形态学分析。

图 8. 融合了 Janus、粘附性、韧性和药物释放的最佳黏膜贻贝类敷料。散点图定性地比较了本研究中的敷料与文献中报道的敷料。

小结

总之，本研究提出了一种受贻贝启发的 Janus GPC 水凝胶，该水凝胶基于界面粘附和基质消散的协同增强来治疗口腔溃疡。在这方面，通过 DA 控制表面强度和纳米粘土控制基质耗散来调节 GPC 水凝胶的粘附强度。 GPC 水凝胶表现出很强的湿粘附力 (63 kPa) 和更高的韧性 ( 储存模量 (G') (7000 Pa)) 。可以用 GPC 包裹地塞米松，有效释放口腔黏膜药物，治疗口腔溃疡。因此，这种水凝胶也可以用作药物输送的载药平台。与目前临床使用的材料相比，它有效地保护口腔粘膜免受唾液潮红、口腔运动和其他行为（在口腔环境中性能不佳）的破坏性行为。相对于目前用于治疗口腔黏膜敷料的粘合剂，其中包括无 DA 和 DA 粘合剂，该粘合剂具有较好的综合性能。有理由相信该系统将提高口服给药的效率，并激发给药系统中口服敷料、伤口敷料和组织粘合剂的合理设计。