由于海上作業(yè)、娛樂和瀕海戰(zhàn)爭等導(dǎo)致的傷口不可避免地暴露在高鹽、高滲以及多種致病菌的海水中，從而容易引起嚴(yán)重出血、感染、組織壞死、愈合時(shí)間延長甚至高病死率等。然而，目前僅有少量關(guān)于海水浸泡傷口治療的研究報(bào)道，且這些研究沒有充分考慮海水浸泡傷口的特征以及特殊的海洋環(huán)境。構(gòu)建具有穩(wěn)定濕粘附的多功能水凝膠敷料有望實(shí)現(xiàn)在有滲出物、血液、海水等情況下粘附在傷口組織上，從而達(dá)到止血、隔離海水、預(yù)防感染、減少炎癥、促進(jìn)愈合等目的。然而，大多數(shù)報(bào)道的粘附水凝膠對于干燥界面顯示出良好的粘附性，但難以實(shí)現(xiàn)對潤濕界面的有效粘附。因?yàn)闈櫇窠缑娴乃采w層阻礙了水凝膠和基底之間的相互作用。此外，水凝膠的溶脹性能降低了粘合界面粘附基團(tuán)的密度，并降低了耗散基質(zhì)的機(jī)械性能。受海洋生物濕粘附機(jī)制啟發(fā)制備的仿生水凝膠可以通過兒茶酚基團(tuán)與不同基底表面的相互作用實(shí)現(xiàn)濕粘附。然而，僅僅依靠兒茶酚基團(tuán)仍然難以實(shí)現(xiàn)對濕潤組織的穩(wěn)定粘附。因此，制備在潮濕甚至水下環(huán)境中具有快速、穩(wěn)定、持久粘附力的水凝膠敷料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
近日，福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院石賢愛教授和楊建民副教授課題組，將兒茶酚改性的氧化透明質(zhì)酸(OD)、ε-聚賴氨酸(EPL)和Fe3+通過希夫堿反應(yīng)、金屬螯合、陽離子-π和靜電相互作用等制備了多功能水凝膠(OD/EPL@Fe)。通過結(jié)合仿貽貝策略、脫水效應(yīng)和增強(qiáng)內(nèi)聚力，使得所制備水凝膠具有高濕粘附強(qiáng)度（78 kPa），且粘附效果高于商業(yè)纖維蛋白膠和氰基丙烯酸酯膠。同時(shí)，該水凝膠可以有效清除海洋特定致病菌（創(chuàng)傷弧菌和銅綠假單胞菌）并抑制其生物膜的形成。此外，所制備水凝膠具有可注射性、自愈合、清除活性氧、光熱效應(yīng)、隔離海水、按需移除和止血等特性。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大鼠頸部全層皮膚傷口模型中，該水凝膠對動(dòng)態(tài)傷口有良好的粘附效果。特別是在大鼠海水浸泡感染的傷口模型中，該水凝膠表現(xiàn)出抗菌、抗炎和抗氧化的特性，并能夠加速皮膚結(jié)構(gòu)和功能的重建。
圖1. (A) OD/EPL@Fe水凝膠制備示意圖；(B) 潮濕環(huán)境下水凝膠的多種粘附機(jī)制；(C) 多交聯(lián)結(jié)構(gòu)賦予水凝膠優(yōu)異的機(jī)械彈性和能量耗散；(D) 水凝膠促海水浸泡傷口愈合示意圖。
將豬皮浸泡在海水中，研究水凝膠在海水環(huán)境下的濕粘附效果。結(jié)果顯示，OD/EPL@Fe3水凝膠在干燥和海水條件下粘附強(qiáng)度分別為89 kPa和78 kPa。值得注意的是，其濕粘附強(qiáng)度約為商用纖維蛋白膠的8倍，為氰基丙烯酸酯膠的1.5倍。去鐵胺（DFO）作為一種醫(yī)用螯合劑，通過快速解離兒茶酚-Fe金屬螯合鍵來去除或更換水凝膠敷料。同時(shí)，水凝膠具有隔離海水的效果，防止處理傷口處再次受到海水浸泡。水凝膠的爆裂壓力明顯高于商用氰基丙烯酸酯膠和人體正常血壓。此外，水凝膠還可以粘附在具有較低表面能的器官表面。結(jié)果表明，該水凝膠具有良好的濕粘附性能，且在止血和器官密封方面具有應(yīng)用潛力。
圖2. 水凝膠的濕粘附性能。(A) 搭接剪切試驗(yàn)示意圖；(B) 水凝膠的搭接剪切強(qiáng)度；(C) 水凝膠按需移除過程；(D) 噴灑DFO前后，粘附力-位移曲線；(E) 水凝膠的濕粘附和按需去除機(jī)理示意圖；(F) 隔離海水浸泡試驗(yàn)；(G) 爆裂壓力裝置示意圖；(H) 水凝膠平均爆破壓力；(I) 水凝膠對漏水的豬胃進(jìn)行密封；(J) 密封過程中胃部水位的變化；(K) 水凝膠對漏氣的豬肺進(jìn)行密封；(L) 密封過程中肺部體積的變化。
海水中存在許多致病菌，如創(chuàng)傷弧菌和銅綠假單胞菌，可引起嚴(yán)重的傷口感染，從而影響傷口愈合甚至引發(fā)致命危險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水凝膠對海水中致病菌具有優(yōu)異殺菌效果。其中，OD/EPL@Fe+NIR組的細(xì)菌表面嚴(yán)重皺縮，并呈現(xiàn)出大量的孔洞，表明細(xì)胞膜被破壞。同時(shí)，抗菌試驗(yàn)結(jié)果表明該水凝膠具有光譜抗菌效果。此外，生物膜提高了細(xì)菌的耐藥性，并加劇了傷口部位的感染。通過結(jié)晶紫染色和STYO 9熒光染色結(jié)果，證明了該水凝膠能夠抑制生物膜形成。
圖3. 水凝膠的抗菌和抑制生物膜形成效果。(A) 與水凝膠共培養(yǎng)后創(chuàng)傷弧菌和銅綠假單胞菌的菌落照片；(B) 細(xì)菌存活率；(C) 細(xì)菌形態(tài)學(xué)變化；(D) 水凝膠抗菌機(jī)理示意圖；(E) 結(jié)晶紫染色后生物膜照片；(F) 結(jié)晶紫染色后生物膜的OD 570；(G) STYO 9染色后生物膜的共聚焦三維圖像。
為評估OD/EPL@Fe水凝膠促海水浸泡傷口愈合的能力，從福州長樂東海岸（臺(tái)灣海峽區(qū)域）采集了海水并添加創(chuàng)傷弧菌和銅綠假單胞菌構(gòu)建了大鼠海水浸泡傷口模型。結(jié)果顯示，多功能OD/EPL@Fe水凝膠同時(shí)發(fā)揮了抗菌、抗氧化、抗炎和促進(jìn)血管生成的效果；加速了皮膚組織的再上皮化和膠原蛋白的沉積；并明顯促進(jìn)了海水浸泡感染傷口的愈合。其主要原因是水凝膠具有良好的抗菌效果，殺死了傷口處的細(xì)菌并抑制生物膜形成。同時(shí)，光熱效應(yīng)可以加速微循環(huán)血流，消除細(xì)菌，減少炎癥。此外，所含的透明質(zhì)酸具有誘導(dǎo)血管生成和促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖和遷移的能力，有利于促進(jìn)氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)向傷口部位的運(yùn)輸和產(chǎn)生更多膠原蛋白。
圖4. 水凝膠對海水浸泡傷口的抗菌和促愈合效果。(A) 海水浸泡感染傷口模型和治療示意圖；(B) 傷口愈合照片；(C) 傷口處的細(xì)菌菌落照片；(D) 細(xì)菌菌落數(shù)計(jì)數(shù)；(E) 傷口面積變化；(F) H&E、Masson和Giemsa染色；(G) 膠原蛋白沉積情況；(H) 真皮層厚度。
雖然目前已經(jīng)開發(fā)了各種新型功能敷料，但這些敷料主要用于處理在陸地環(huán)境中產(chǎn)生的傷口或者在具有良好醫(yī)療條件的場景中使用。然而，海洋環(huán)境中的傷口護(hù)理不僅需考慮敷料對傷口的濕性粘附，還要關(guān)注海洋特異性病原體的感染，并能防止處理傷口再次被海水浸泡。此外，快速止血、長期穩(wěn)定粘附、減少氧化應(yīng)激、抗物理應(yīng)力破壞也是海水浸泡傷口愈合的迫切要求。該研究結(jié)果表明，所制備的OD/EPL@Fe水凝膠在海水浸泡傷口愈合方面具有應(yīng)用潛力，且對于濕粘附和多網(wǎng)絡(luò)水凝膠研究具有參考價(jià)值。該項(xiàng)成果以“Multi-crosslinked hydrogels with strong wet adhesion, self-healing, antibacterial property, reactive oxygen species scavenging activity, and on-demand removability for seawater-immersed wound healing”為題發(fā)表在Acta Biomaterialia期刊上。課題組碩士生呂奕成為本論文第一作者，通訊作者為楊建民副教授和石賢愛教授。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（31800796）和福建省自然科學(xué)基金（2022J01095）的資助。
