《Mater. Horiz.》| 四川大学：用 “PDA-维生素 A” 打造多功能皮肤修复水凝胶！

研究背景~~

深度烧伤、创伤等皮肤损伤易引发病理性瘢痕形成与皮肤附属器缺失，严重影响患者生活质量。维生素 A 衍生物虽在毛囊再生与抗瘢痕修复中潜力显著，但存在溶解性差、稳定性不足、光敏性强及毒性等缺陷，限制了其临床转化。现有伤口修复材料多聚焦于促愈合或抗感染，难以同时实现瘢痕抑制与皮肤附属器再生，亟需开发兼具稳定递送药物、调控创面微环境及促进功能修复的多功能生物材料。

近期，四川大学华西医院烧伤整形科与高分子科学与工程学院团队在《Materials Horizons》发表的研究：“Bioadhesive Polydopamine-Vitamin A Derivative Hydrogels Reprogram the Wound Microenvironment for Scarless Wound Healing and Hair Follicle Regeneration”。该团队针对传统维生素 A 衍生物应用瓶颈及伤口修复功能单一的问题，创新提出聚多巴胺（PDA）负载维生素 A 衍生物的纳米复合水凝胶设计策略，开发了兼具黏附、抗氧化与免疫调控功能的生物黏附水凝胶。该水凝胶以羧甲基纤维素 / 壳聚糖为基质，负载 PDA - 视黄醛纳米颗粒（PDR-2 NPs），通过亚胺交联形成黏附网络，PDA 赋予 ROS 清除能力与药物稳定性，视黄醛 pH 响应释放并激活再生信号。其可诱导巨噬细胞 M2 极化、抑制成纤维细胞过度活化，在大鼠烧伤与兔增生性瘢痕模型中实现瘢痕抑制（胶原 I/III 比值 < 1）与毛囊新生，为功能化皮肤修复提供新方案。

摘要

实现无瘢痕愈合联合收割机与皮肤附件再生在皮肤创伤治疗中仍然是一个极具挑战性的任务。维生素A衍生物在毛囊新生和无瘢痕修复方面显示出巨大的潜力，但在创伤愈合过程中存在溶解性差、不稳定性、光敏性和毒性。在此，我们提出了一种多功能生物粘附水凝胶系统，PDA纳米颗粒稳定并使维生素A衍生物的pH响应性释放成为可能，同时提供活性氧（ROS）清除和抗氧化保护。嵌入亚胺交联的粘合剂水凝胶网络中，该平台实现了强组织粘附，持续的药物递送，和有利的免疫微环境调节。在体内，使用大鼠烧伤伤口和兔增生性瘢痕模型，优化的制剂加速伤口闭合，重新平衡胶原沉积，抑制肌成纤维细胞活化，并显著预防病理性纤维化。引人注目的是，它还诱导了稳健的从头毛囊形成，转录组学和免疫荧光分析进一步揭示了促纤维化和炎症途径的下调以及再生信号的激活，包括M2巨噬细胞极化和治疗伤口中M1表型的抑制。这项工作介绍了一种具有抗瘢痕形成和再生双重功能的早期维生素A基纳米复合水凝胶，为先进的伤口护理提供了一种有前途的策略。

图解

图1:NP的制备和表征。（a）PDA NP制备的示意图。（B）PDA NP、PDR-1 NP和PDR-2 NP的SEM图像。（c）PDA NP、PDR-1 NP和PDR-2 NP的DLS结果。（d）PDR-1 NP的TEM图像。（e）DA、PDA NP、RA-CHO和PDR-1 NP的UV-Vis光谱。（f）PDA NP的FTIR光谱。PDR-1 NP和PDR-2 NP。（g）PDR-2 NP的N1s XPS光谱。（h）PDR-2 NP的MS光谱。（i）PDA NP、PDR-1 NP和PDR-2 NP的药物负载含量。（j）PDR-2 NP的药物释放曲线和浸入pH 5.5的PBS溶液后的SEM图像。（k）ABTS和（l）PDA NP的DPPH清除能力，（m）PDA NP、PDR-1 NP和PDR-2 NP的DPPH和ABTS清除测定。

图2：生物粘附性水凝胶的制备和表征。（a）水凝胶制备的示意图。（B）凝胶制备的光学照片。（c）凝胶-0、凝胶-1、凝胶-2、凝胶-1和凝胶-2的凝胶化时间。（d-e）凝胶-3的SEM图像。（f）在PBS溶液中24小时后从凝胶-3释放的PDR-2 NP的SEM图像。以及凝胶-0、凝胶-1、凝胶-2和凝胶-3的损耗模量（G“）随时间的变化。(h)（i）作为应变的函数的凝胶-3的储能模量（G '）和损耗模量（G“）。（j）凝胶-3在高（500%）至低（500%）温度下的自修复行为。（k）凝胶粘合性能的拉伸和（l）剥离测试的示意图。（m）凝胶的拉伸和（n）剥离测试力-位移曲线。（o）拉伸和（p）剥离测试力-位移曲线。凝胶的剥离测试强度。（q）水凝胶在组织表面上的胶凝和粘附机制的示意图。

图3：细胞相容性和抗氧化活性的体外评价。（a）用比格犬红细胞进行的溶血试验。从左至右：（1）ddH 2 O（阳性对照）;（2）PBS（阴性对照）;（3-4）全血中200 µg/mL和20 µg/mL的PDA/PDR-1/PDR-2混悬液;（5-6）PBS中200 μg/mL和20 μg/mL的PDA/PDR-1/PDR-2悬浮液。（B）基于光密度测量的溶血率的定量。（c）孵育后12小时和36小时NIH 3 T3细胞的活/死染色。（d）基于活/死染色的细胞活力的定量分析。死亡染色结果。（e）5-100 μg/mL处理后NIH 3 T3细胞增殖的CCK-8测定。（f）评估10、50和100 μg/mL处理的HUVEC迁移的划痕测定。使用蓝色曲线描绘伤口边界。（g）使用DCFH-DA荧光探针的细胞内ROS染色。（h-j）相对伤口面积（%）的定量，（k）HUVEC中ROS荧光强度的半定量分析。（l）NIH 3 T3细胞中ROS荧光强度的半定量分析。

图4：在深二度烧伤模型大鼠中的治疗效果的评价。（a）深二度烧伤的动物模型建立和治疗时间轴的示意图。（B）愈合过程中伤口闭合率的定量。（c）指定时间点伤口外观的代表性照片。（d）显示伤口面积随时间推移的进展的重叠图。（e）（f，g）分别在第21天和第56天收集的伤口切片的H&E染色（穿过伤口中心的横截面）。红色箭头表示再生的毛囊。（h，i）第21天和第56天伤口中心切片的Masson三色染色。红色箭头表示新形成的毛囊。（j，k）第21天和第56天伤口切片的天狼星红染色。第一行显示偏振光下的图像。第二和第三行分别代表I型和III型胶原的分布，胶原阳性区域为白色，阴性区域为黑色。（1-n）总胶原含量的定量分析，（o-q）第56天总胶原含量、I/III型胶原比率和再生毛囊计数的定量分析。

图5：使用兔耳增生性瘢痕模型评价水凝胶的抗瘢痕功效。（a）兔耳增生性瘢痕模型的手术程序和治疗时间轴的示意图。（B）愈合过程中伤口闭合速率的定量。（c）指定时间点伤口外观的代表性照片。（d）显示伤口面积随时间推移的进展的重叠图。（e）伤口面积随时间推移的变化。f）分别在第21天和第47天收集的伤口切片的H&E染色（穿过伤口中心的横截面）。再生的毛囊由红色箭头指示。（g，h）第21天和第47天伤口中心切片的Masson三色染色。红色箭头指示新形成的毛囊。（i，j）第21天和第47天伤口切片的天狼星红染色。第一行显示偏振光下的图像;第二和第三行分别代表I型和III型胶原蛋白的分布，胶原蛋白阳性区域为白色，阴性区域为黑色。（k-m）定量分析总胶原蛋白含量，再生毛囊计数，和I/III型胶原比率。（n-p）在第47天对总胶原含量、再生毛囊计数和I/III型胶原比率进行定量分析。（q）在损伤后第47天对伤口中心切片中新形成的毛囊进行定量。

图6：转录组测序分析揭示了无瘢痕伤口愈合和毛囊再生的机制。（a）层次聚类热图和（B）主成分分析（PCA）显示了各组之间不同的基因表达谱。（c）基因本体（GO）富集分析（按p值排名的前10个术语）跨生物过程（BP），细胞组分（CC），（d）显示与毛囊发育和再生相关的基因表达的热图。（e-h）基因集富集分析（GSEA; GOBP数据库）表明，凝胶-3处理负富集炎症相关途径，包括白细胞增殖（e），同时正富集皮肤发育相关过程（f）。此外，与成纤维细胞活化和氧化应激相关的途径被负富集，包括成纤维细胞生长因子受体信号传导（g）和活性氧物质生物合成过程（h）。

图7:伤口切片的免疫荧光分析。（a-e）TGF-β1、α-SMA、iNOS、SOX 9和CD 31染色的代表性免疫荧光图像。（f-j）相应标记物的荧光强度定量。（k）巨噬细胞极化标记物CD 206的代表性免疫荧光染色（绿色，M2）和CD 86（红色，M1）;细胞核用DAPI复染（蓝色）。（1，m）CD 206和CD 86的平均荧光强度（MFI）的定量。

图8:功能性皮肤再生和无瘢痕愈合的机制总结。（a）凝胶3促进无瘢痕皮肤愈合和毛囊再生的机制的示意性总结（B，c）比较材料性能评价（B）和再生功效评估（c）当前研究与代表性已发表研究工作之间的指标的雷达图。

结论

该研究开创了一种强大的多功能水凝胶系统，该系统将维生素A衍生物与动态交联壳聚糖网络中的粘合剂PDA NP整合在一起，从而克服了维生素A衍生物在稳定性和光敏性方面的固有局限性。PDA介导的抗氧化保护和VA驱动的免疫调节的协同效应赋予所得水凝胶加速伤口闭合的卓越能力，通过优化胶原重塑抑制病理性瘢痕形成（Col I/III < 1，SEI 1.25 ± 0.21），最值得注意的是，在无毛发的伤口床中引发前所未有的毛囊再生。（TGF-β1/α-SMA/iNOS），激活形态发生信号（SOX 9/CD 31），并通过巨噬细胞极化重新编程局部免疫反应，从促炎（CD 86+，M1）至促再生（CD206+，M2）这种免疫调节在缓解慢性炎症和促进从纤维化修复向功能性修复的转变中发挥了重要作用。这项工作建立了一个范式转换平台，用于实现真正的功能性皮肤修复和无瘢痕愈合，证明了在高纤维化风险的皮肤伤口（包括烧伤伤口、手术缺陷和创伤诱导的损伤）上的广泛转化潜力。