研究速覽

■?近日，西南科技大學(xué)張紅平副研究員團(tuán)隊，在國際知名期刊Advanced Healthcare Materials上發(fā)表題為“Sponge-Like Macroporous Hydrogel with Antibacterial and ROS Scavenging Capabilities for Diabetic Wound Regeneration”的研究論文。

該論文首次通過由 Ti3C2 MXene誘導(dǎo)的簡便、快速而穩(wěn)健的方法，開發(fā)了一種具有穩(wěn)定大孔結(jié)構(gòu)和抗膨脹性能的新型海綿狀大孔水凝膠 (SM-hydrogel)。首先，Ti3C2 MXene通過其獨特的氧化還原能力促進(jìn)過硫酸銨（APS）分解，從而促進(jìn)羥基自由基的快速產(chǎn)生，并由此引發(fā)SM-水凝膠的快速凝膠化。其次，APS還可以通過MXene催化分解快速產(chǎn)生足夠的NH3和O2等氣體，從而在MXene納米片周圍形成氣孔結(jié)構(gòu)。最終，快速成型的強(qiáng)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鎖定氣孔結(jié)構(gòu)，并在整個水凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成堅硬的連接性多孔結(jié)構(gòu)。

▉? 研究摘要? ▉

■?具有柔軟和濕潤特性的水凝膠已被深入研究用于慢性疾病組織修復(fù)。然而，高含水量的組織工程水凝膠通常同時具有小孔隙尺寸和低防水能力，從而導(dǎo)致不良的手術(shù)結(jié)果。

鑒于此，西南科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院張紅平副研究員團(tuán)隊通過一種簡單、快速且穩(wěn)健的方法，由Ti3C2 MXene添加劑誘導(dǎo)丙烯酰胺化多巴胺（MADA）修飾的聚丙烯酸水凝膠的快速凝膠化，開發(fā)了一種具有穩(wěn)定的大孔結(jié)構(gòu)和抗溶脹性能的新型海綿狀大孔水凝膠(SM-水凝膠)。Ti3C2 MXene誘導(dǎo)的SM-水凝膠在高含水量下（80 %含水量）具有200-300 μm的開放大孔，表現(xiàn)出理想的物質(zhì)滲透能力，其水/血液運(yùn)輸速度比無孔水凝膠高約20倍。此外，Ti3C2 MXene與聚合物鏈之間的強(qiáng)相互作用賦予SM-水凝膠優(yōu)異的抗溶脹能力，有望成為同時具有大孔結(jié)構(gòu)和堅韌機(jī)械性能的水凝膠。SM-水凝膠具有的多種功能，例如促進(jìn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、抗菌(SMPAAM中的細(xì)菌存活率低于25%)和活性氧(ROS)清除能力(120分鐘時清除率為96%)協(xié)同促進(jìn)糖尿病傷口愈合(與無孔水凝膠相比，傷口愈合率在7天內(nèi)從39%增加到81%)，顯示了其在創(chuàng)傷組織工程中的巨大潛力。

圖1.?海綿狀大孔水凝膠體系?(SM-hydrogels)的設(shè)計策略。

▉? 研究要點1? ▉

■?作者首先通過Ti3C2 MXene促進(jìn)過硫酸銨(APS)的分解反應(yīng)快速生成羥基自由基引發(fā)丙烯酸(AA)快速聚合制備SMPAA水凝膠。為了進(jìn)一步賦予SM-水凝膠增強(qiáng)的抗氧化和細(xì)胞粘附能力，在貽貝仿生化學(xué)的啟發(fā)下通過AA和丙烯酰胺化多巴胺(MADA)的共聚以相同的方法獲得SMPAAM。Ti3C2 MXene通過其獨特的氧化還原能力促進(jìn)過硫酸銨（APS）分解，從而促進(jìn)羥基自由基的快速產(chǎn)生，并由此引發(fā)SM-水凝膠的快速凝膠化。其次，APS還可以通過MXene催化分解快速產(chǎn)生足夠的NH3和O2等氣體，從而在MXene納米片周圍形成氣孔結(jié)構(gòu)。最終，快速成型的強(qiáng)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鎖定氣孔結(jié)構(gòu)，并在整個水凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成堅硬的連接性多孔結(jié)構(gòu)。該孔結(jié)構(gòu)賦予SM-水凝膠優(yōu)秀的物質(zhì)傳輸能力。

圖 2. 海綿狀大孔水凝膠的快速凝膠及其微觀結(jié)構(gòu)的表征。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝膠的形成過程和顏色隨時間變化的照片；(b) APS溶液、紫外光輻射下的APS溶液和Tx/APS（不同濃度Ti3C2 MXene和APS混合溶液，x代表Ti3C2 MXene濃度）的5,5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物(DMPO)捕獲ESR光譜）；(c) PAAM和SMPAAM(1h, 24h)水凝膠的XRD光譜；(d) PAA、PAAM、SMPAA SMPAAM水凝膠的光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡?(SEM)?圖像（所有比例尺=500 μm）；(e)水凝膠的水和(f)血液滲透圖像。

▉? 研究要點2? ▉

■?作者通過對比實驗、分子動力學(xué)模擬揭示了SM-水凝膠的抗溶脹機(jī)理，首先，Ti3C2 MXene的加入導(dǎo)致在整個SM-水凝膠預(yù)聚物溶液中產(chǎn)生大量自由基，這使得AA和MADA能夠快速共聚，并具有高度共價交聯(lián)。其次，共聚物鏈的羧基(-COOH)和羥基(-OH)以及酰胺基(-CO-NH-)可以與Ti3C2 MXene(或其氧化產(chǎn)物TiO2@C)的表面封端官能團(tuán)(-O，-OH，-F)相互作用，形成各種類型的氫鍵。第三，來自多價鈦 (Ti2+、Ti3+和Ti4+)的豐富電子可以有效地促進(jìn)Ti3C2 MXene (TiO2@C)與PAA或聚(AA-co-MADA)網(wǎng)絡(luò)之間的配位反應(yīng)。以上三種途徑使得水凝膠網(wǎng)絡(luò)具有高交聯(lián)密度，而高的交聯(lián)密度將有效提升水凝膠的抗溶脹性。

圖 3. 不同水凝膠在不同條件下的溶脹特性。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝膠在不同介質(zhì)下浸泡72 h的照片；(b) 72 h后不同環(huán)境中水凝膠的溶脹體積比；水凝膠在(c)去離子水、(d) 3.5 wt% NaCl、(e) PBS溶液和(f)不同pH值溶液中隨時間變化的溶脹重量比；(g) PAA-PAA、PAA-Ti3C2MXene和PAA-TiO2之間相互作用的分子動力學(xué)模擬。

▉? 研究要點3? ▉

■?與傳統(tǒng)的水凝膠相比，由于Ti3C2 MXene與水凝膠分子鏈之間的強(qiáng)相互作用，我們的SM-水凝膠即使在平衡狀態(tài)下也顯示出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。

圖 4. 新鮮和溶脹平衡水凝膠的力學(xué)性能。(a)?將水凝膠浸入磷酸鹽緩沖鹽溶液?(PBS, pH=7.4，37 °C) 3天后平衡水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)；(b)?壓縮-松弛循環(huán)下平衡 PAA、PAAM、SMPAA 和 SMPPAM 水凝膠的光學(xué)圖像。溶脹平衡的PAA和PAAM凝膠在弱力（<10 N）的壓縮下斷裂，而溶脹平衡SMPAA和SMPAAM凝膠在極強(qiáng)的力下壓縮到 90%?應(yīng)變幾乎完全恢復(fù)；(c)?不同程度拉伸應(yīng)變下溶脹平衡的 PAA、PAAM、SMPAA 和 SMPPAM 水凝膠的光學(xué)圖像；?各種水凝膠在新鮮和溶脹平衡狀態(tài)下的(d)壓縮和?(e)?拉伸行為。

▉? 研究要點4? ▉

■?Ti3C2 MXene原位氧化形成的TiO2/Ti3C2或TiO2/C異質(zhì)結(jié)有助于電荷載流子的轉(zhuǎn)化，其表現(xiàn)出比純TiO2更高效的光催化能力。在相同的光照條件下，來自氧化Ti3C2 MXene的TiO2@C相比純TiO2納米粒子可以產(chǎn)生更多的自由基，因此SM-水凝膠表現(xiàn)出比搭載相同重量的TiO2納米粒子的水凝膠更高的抗菌活性。

圖 5. SM-水凝膠對大腸桿菌和表皮葡萄球菌的體外抗菌活性。a)?大腸桿菌和表皮葡萄球菌菌落瓊脂平板照片，SEM 圖像顯示與水凝膠孵育后大腸桿菌和表皮葡萄球菌的形態(tài)變化；b)?和 c)?大腸桿菌和表皮葡萄球菌菌落的相應(yīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

▉? 研究要點5 ▉

■?SMPAAM水凝膠突出的糖尿病傷口治療能力歸因于多種功能的協(xié)同作用。首先，SMPAAM水凝膠具有令人滿意的生物相容性以允許細(xì)胞存活和增殖。其次，SMPAAM水凝膠的孔徑(200-300 μm)大于水凝膠支架內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散所需的最小孔徑(30-40 μm)閾值，并且水凝膠的大孔結(jié)構(gòu)將促進(jìn)細(xì)胞的粘附和增殖，并增加血管形成。然后，SMPAAM的抗菌活性可以避免傷口組織細(xì)菌感染，并且SMPAAM水凝膠的令人滿意的抗氧化能力減弱了ROS對細(xì)胞的氧化損傷(例如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA氧化)。更重要的是，SMPAAM水凝膠能夠在潮濕環(huán)境中長時間保持大孔和堅韌的機(jī)械強(qiáng)度，以抵抗外界刺激。多種功能的協(xié)同作用使得SMPAAM水凝膠在修復(fù)糖尿病皮膚傷口方面具有巨大的潛力。

圖 6.SMPAAM 水凝膠對糖尿病傷口的愈合效果。?(a) SMPAAM水凝膠治療糖尿病傷口的工藝；(b) PAA、PAAM 和 SMPAAM 水凝膠組和對照組第?0?天至第 14 天未進(jìn)行水凝膠敷料處理的傷口的代表性照片，比例尺：2 mm；(c)?不同時期的傷口痕跡和傷口面積；(d)?每組新再生皮膚組織第 7 天和第 14 天的 HE 和 Masson 染色。比例尺：500 μm。

▉? 研究總結(jié)? ▉

■總之，本研究證明了一種簡單而新穎的快速凝膠化海綿狀大孔水凝膠的制備策略，它具有創(chuàng)傷愈合和組織修復(fù)等多種功能。Ti3C2 MXene誘導(dǎo)的SM-水凝膠同時具有大孔結(jié)構(gòu)(200-300微米)、抗機(jī)械疲勞性、抗溶脹和抗菌能力，多種功能的協(xié)同效應(yīng)改善糖尿病傷口愈合 (傷口愈合7天時，傷口閉合率達(dá)到81%)。該研究提出的通用方法不僅解決了水凝膠在各種介質(zhì)條件下的宏觀/微觀結(jié)構(gòu)、有效性、抗機(jī)械疲勞性和耐久性等基本問題，而且可用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的實際應(yīng)用。該設(shè)計策略為下一代生物工程水凝膠的設(shè)計提供了見解■?感謝作者對本文的大力支持！