《AM》中大吴丁财/王鹏/卢宇恒/蔡兆鹏：多功能纳米交联剂增强型注射水凝胶，实现快速止血和高效创伤修复

第一作者：Xiaoshuai Peng

通讯作者：吴丁财，王鹏，蔡兆鹏，卢宇恒

通讯单位：中山大学

研究速览：

中山大学吴丁财/王鹏/卢宇恒＆中山大学附属第八医院蔡兆鹏近期在Advanced Materials上发表了多功能纳米交联剂增强型注射水凝胶，实现快速止血和高效创伤修复的文章。失控的创伤性出血，常因感染和愈合不良而复杂化，占全球创伤相关死亡的 30%以上。具有强健多键交联网络、整合流动性和原位稳定性的可注射水凝胶有望实现高效止血，但其交联剂相对单一结构限制了在资源稀缺环境中有效创伤管理所需的多功能性。本研究合成了一类多功能ε聚赖氨酸嫁接二氧化锰（EPL-g-MnO2）纳米交联剂，用于构建可注射水凝胶（即 OSEG 水凝胶）。由 EPL-g-MnO2 驱动，OSEG 水凝胶通过亚胺、氢和离子键快速实现关键损伤（如兔子心出血模型中 24.9 秒）的稳定湿粘和高效止血，形成坚固多功能的交联网络，完成凝胶形成。在创伤性创口的微环境中，OSEG 水凝胶加速降解，进一步暴露 EPL-g-MnO2 和 sperminine，从而提供足够的抗菌和促进愈合效果。因此，OSEG 水凝胶在感染性颅缺陷大鼠模型中，骨体积/总体积比商业止血钳 SURGIFLO 的 3.3 倍。这项工作可能启发设计先进的注射式水凝胶，用于协同创伤管理。

要点分析

要点一，研究内容：本研究基于聚合物拓扑结构设计，合成了一类新型多功能 ε -聚赖氨酸接枝二氧化锰（EPL -g-MnO₂）纳米交联剂。该材料在二氧化锰基底上均匀分布 EPL 侧链，有效避免了组分团聚导致的性能下降。与传统交联剂相比，这种“一体化”设计集成了增强骨架、湿粘附位点和生物活性成分，从而使可注射水凝胶（即 OSEG 水凝胶）具备坚固、具有湿粘附性且多生物活性的网络结构。通过将 EPL -g-MnO₂与氧化葡聚糖（Odex）、明胶（Gel）及亚精胺（SPD）复合，可通过 EPL -g-MnO₂/Gel/SPD中氨基与Odex醛基之间的希夫碱反应形成的亚胺键，以及各组分间的氢键和离子键，快速构建出稳定的 OSEG 水凝胶交联网络。 EPL -g-MnO₂中带正电荷的 EPL 侧链有助于吸附血细胞和蛋白质以增强止血效果；而二氧化锰基底作为增强组分，与化学/物理交联桥共同作用，提升了 OSEG 水凝胶的机械性能。此外，交联网络中的活性基团（如醛基和氨基）可与组织及血液成分相互作用，形成共价和非共价键，协同建立稳定的湿粘附界面并包裹血液成分。值得注意的是，多功能 EPL -g-MnO₂还能赋予 OSEG 水凝胶高效的生物活性，从而预防危及生命的并发症。一方面，带正电荷的 EPL 侧链具有足够的抗菌性能，可有效抑制细菌感染；另一方面，二氧化锰基质表现出高效的活性氧（ROS）清除能力，可与SPD协同作用以抑制过度炎症并促进免疫调节（例如，将巨噬细胞从促炎性M1型向促修复性M2型极化）。在感染伤口的酸性微环境中，交联网络的加速降解能使 OSEG 水凝胶释放 EPL -g-MnO₂和SPD，并为细胞生长提供空间。通过 EPL -g-MnO₂与SPD的协同效应， OSEG 水凝胶能发挥卓越的抗菌和抗炎作用，进一步促进组织修复。如图1b所示，在兔心脏出血模型中， OSEG 水凝胶可在最小失血量（3.0克血液流失）下快速实现止血（耗时24.9秒），而市售止血剂surgiflo则无法止血；在大鼠颅骨感染缺损模型中（图1c）， OSEG 水凝胶的骨体积/总体积比（BV/TV）达到surgiflo的3.3倍，彰显其卓越的组织修复能力。作者希望本研究能推动更优注射型水凝胶的设计，以实现快速止血和高效组织修复。

图文导读

图1. OSEG 水凝胶的制备及其生物医学应用。(a) OSEG 水凝胶的制备流程示意图及其各组分的功能机制。(b) OSEG 水凝胶在兔肝出血、动脉出血和心脏出血模型中止血作用的示意图。(c) OSEG 水凝胶在大鼠颅骨感染缺损修复模型中的应用示意图。

图2.水凝胶的凝胶化与表征。(a) OSEG 水凝胶形成的数码照片。(b) OSEG 水凝胶注射过程的数码照片。(c) 冻干Odex、Gel和 OSEG 的FT-IR光谱。(d) 冻干 OSEG 水凝胶的SEM图像。(e) OG、 OSG 、 OSMG 、 OSMEG 和 OSEG 水凝胶的溶胀率（n = 3）。(f) OG、 OSG 、 OSMG 、 OSMEG 和 OSEG 水凝胶的凝胶化时间（n = 3）。(g) OSEG 水凝胶在时间扫描试验中的储能模量（G′）和损耗模量（G″）。(h) OG、 OSG 、 OSMG 、 OSMEG 和 OSEG 水凝胶的最大储能模量（G′）值。(i) OSEG 水凝胶自修复行为的数码照片。(j) OSEG 水凝胶的振荡应变扫描试验及后续时间扫描试验数据。所有数据均以平均值±标准差表示（ns = 不显著，*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001）。

图3. 水凝胶的机械与组织粘附性能。(a)代表性拉伸应力-应变曲线；(b)不同水凝胶的拉伸应力值（n=3）；(c)代表性压缩应力-应变曲线；(d)不同水凝胶的压缩应力值（n=3）；(e)代表性粘附强度-位移曲线；(f)不同水凝胶在猪皮肤上的粘附强度（n=3）；(g)拉伸、弯曲、扭转及水冲洗后水凝胶 OSEG 在猪皮肤表面原位形成的数码照片；(h)爆破压力测试示意图；(i)粘附于猪皮肤的水凝胶爆破压力（n=3）。数据以均值±标准差表示（*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001）。

图4.水凝胶的血液相容性、凝血能力及抗菌活性。(a) 水凝胶的溶血率（n=3）。(b) 空孔与水凝胶包被孔中随时间变化的血液凝固情况。(c) 空孔与水凝胶包被孔中的血液凝固时间（n=3）。(d) 孵育4分钟后空孔与水凝胶包被孔内血凝块的SEM图像。(e) 37°C孵育8小时后细菌菌落（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）的数码照片，以及不同组别中(f)大肠杆菌和(g)金黄色葡萄球菌的存活率（n=3）。(h) 经 OSEG 水凝胶处理前后的大肠杆菌（上图）与金黄色葡萄球菌（下图）的SEM图像；红色箭头标示破裂的细菌膜。数据以均值±标准差表示（ns=无显著差异，*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001）。

图5. 水凝胶在体外对活性氧（ROS）的清除、成骨作用及免疫调节作用。(a) 人骨髓间充质干细胞（hMSCs）培养1、3和7天后的存活率（n = 6）。(b) FCM 分析；(c) hMSCs细胞内ROS水平的定量结果（n = 3）。(d) hMSCs中成骨相关基因（n = 6）及(e)相关蛋白的表达情况。(f) hMSCs的ALP与ARS染色结果（比例尺：300 µm）。(g) RAW 264.7巨噬细胞中 DCFH -DA检测的细胞内总ROS荧光图像及CD206/iNOS染色结果。数据以均值±标准差表示（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001）。

图6. 兔肝、动脉及心脏出血模型中的止血效果。(a) 兔肝脏、股动脉及心脏损伤止血过程示意图。(b) 使用 OSEG 水凝胶对兔肝脏、股动脉及心脏损伤进行止血的代表性照片。(c) 肝脏损伤模型；(d) 股动脉损伤模型；(e) 心脏损伤模型中，分别采用纱布、Surgiflo或 OSEG 水凝胶处理的动物失血量与止血时间数据（n=3）。数据以均值±标准差表示。

图7. 在肝损伤和皮下感染的小鼠模型中，肝脏修复、抗菌及抗炎作用。(a) 小鼠肝损伤模型的愈合示意图。(b) 7天后肝组织的H&E及Masson三色染色结果（比例尺：200 µm），黑色虚线标示未愈合区域。(c) 小鼠皮下感染模型及 OSEG 水凝胶注射示意图。(d)治疗后第3天组织的H&E、吉姆萨染色、CD86/CD68及CD206/CD68染色结果（比例尺：100 µm），红色箭头指示细菌菌落。

图8. 感染性颅骨缺损大鼠模型中的止血与促进愈合效果。(a)应用 OSEG 水凝胶的感染性颅骨缺损大鼠模型实验设计示意图。(b)缺损部位出血面积。(c)治疗后第1、3、7天的白细胞水平（n = 5）。(d)治疗后6周和12周的骨缺损微CT图像（比例尺：2毫米）。显示大体观、冠状面和矢状面视图（自上而下）。红色圆圈标示缺损边界。(e)治疗后6周和12周的BV/TV分析（n = 5）。(f)治疗后6周和12周缺损组织的H&E（上）与Masson三色染色（下）结果（比例尺：整体图像2毫米；局部放大图200 µm）。数据以均值±标准差表示（**p < 0.01，***p < 0.001）。

结论

作者成功设计并合成了一种多功能 EPL -g-MnO₂纳米交联剂，用于构建可注射 OSEG 水凝胶。该新方法可形成坚固、多功能的交联网络，既能实现快速止血，又能高效修复创伤。与传统交联剂相比， EPL -g-MnO₂能有效整合增强骨架、湿粘附位点及生物成分，从而提升 OSEG 水凝胶的整体性能。通过引入 EPL -g-MnO₂纳米交联剂， OSEG 水凝胶可通过希夫碱反应、氢键作用和离子相互作用实现快速原位凝胶化，形成具有优异机械性能和湿粘附性能（爆破压力：322.3 ± 18.6 mmHg）的交联网络，在高爆破压力和潮湿环境中仍能实现有效止血。此外， EPL -g-MnO₂中的带正电荷 EPL 侧链和二氧化锰基质赋予 OSEG 水凝胶卓越的抗菌性能及增强的活性氧清除能力。在感染伤口的酸性微环境中，交联网络的加速降解可使 OSEG 水凝胶进一步释放 EPL -g-MnO₂和SPD，并为细胞生长提供空间。通过 EPL -g-MnO₂与SPD的协同效应， OSEG 水凝胶展现出出色的抗菌和抗炎性能，从而加速组织修复。凭借这些优势， OSEG 水凝胶在兔心脏出血模型中展现出卓越的止血效果（止血时间为24.9秒，失血量仅为3.0克），并在大鼠感染性颅骨缺损模型中显著提升了组织修复效果（在BV/TV模型中的修复效果是商用止血剂Surgiflo的3.3倍）。尽管 OSEG 水凝胶表现优异，但仍需深入研究若干关键方面以推动其临床转化。未来工作将重点阐明 OSEG 水凝胶协同效应背后的分子及体内生物学机制，系统评估其在体内的长期代谢行为，并在更先进的动物模型中验证其疗效。此外，后续研究还将解决关键的转化应用问题，包括生产规模、制造成本、灭菌方案、储存稳定性及配方标准化等。总体而言，作者相信这项研究将有助于开发出更优质的可注射水凝胶，从而实现更高效的创伤治疗。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73277