Adv. Funct. Mater.：南京工業大學-貽貝啟發制得具有強韌組織錨點和抗感染性的仿生?-聚賴氨酸水凝膠

【引言】

原位水凝膠因其侵入力小、適用于各種無規則形狀的組織缺陷，在組織工程領域引起了廣泛關注。但是，多水的生理環境和水凝膠具有的高濕性嚴重阻礙了水凝膠與目標組織的緊密結合，并且容易造成傷口感染，從而限制了傷口處理的有效性。因此，提高水凝膠與組織的親和性以及防止傷口感染仍是一個重大挑戰。

【成果簡介】

近日，南京工業大學徐虹教授、遲波副研究員（共同通訊作者）等人受到貽貝粘附蛋白的啟發，通過辣根過氧化物酶交聯原位制備了仿生多巴胺改性的?-聚賴氨酸-聚乙二醇水凝膠（PPD水凝膠）傷口敷料。仿生鄰苯二酚-賴氨酸殘基在PPD聚合物中的分布產生了鄰苯二酚-賴氨酸協同效應，賦予了PPD水凝膠優異的濕性組織粘附性能。該PPD水凝膠能夠輕易并緊密地與生物組織相結合，表現出了優越的體內止血和加速傷口愈合的能力。另外，由于?-聚賴氨酸固有的抗菌性，使該水凝膠表現出了優異的抗感染性能。該成果以“A Biomimetic Mussel-Inspired ε-Poly-l-lysine Hydrogel with Robust Tissue-Anchor and Anti-Infection Capacity”為題于2017年2月21日發表在期刊Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1 貽貝啟發PPD水凝膠的設計示意圖

a）貽貝粘附蛋白的主要成分之一——貽貝斑塊上的mfp-5（貽貝足蛋白，富含二羥基苯丙氨酸和賴氨酸）的示意圖；

b）Mfp-5、Dopa（二羥基苯丙氨酸）和賴氨酸的主要結構；

c）多巴胺與?-聚賴氨酸（EPL）共軛形成mfp-5類似聚合物；

d）由辣根過氧化物酶（HRP）交聯反應制得的PPD水凝膠；

e）PPD水凝膠作為傷口敷料得到應用。

圖2 PPD共軛體的合成與表征圖

a）PPD共軛體的合成；

b）PPD共軛體的氫譜；

c）PPD共軛體的紫外可見光譜。

圖3 PPD水凝膠的合成和表征示意圖

a）PPD水凝膠形成示意圖，它是由多巴胺在H₂O₂的存在下與HRP發生氧化反應得到的；

b）PPD水凝膠形成過程的交叉視圖，成膠前（左）和成膠后（右）。

圖4 PPD水凝膠的掃描電鏡圖和流變性能

a）內部斷面的掃描電鏡圖；

b）具有不同鄰苯二酚取代度（PPD-A: 2%, PPD-B: 5%, PPD-C: 8%, PPD-D: 18%, PPD-E: 25%）的PPD水凝膠的儲能模量（G’）。該水凝膠的配方為PPD (5 wt%), HRP (0.004 mg mL?1 ), H2O2 (0.003, 0.013, 0.028, 0.035, 0.052 wt%)。

圖5 PDD水凝膠與組織的粘附強度以及增強機理

a）PPD水凝膠在豬組織上的粘附強度。PPT水凝膠和纖維蛋白膠為對照樣。

b）使用豬表皮組織進行的搭接剪切試驗示意圖（上），和能夠提高PPD水凝膠與組織粘附性的鄰苯二酚-賴氨酸協同效應的產生機理。

圖6 PPD水凝膠的抗菌性能

a）PPD水凝膠對大腸桿菌（革蘭氏陰性）的殺菌活性；

b）PPD水凝膠對金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性）的殺菌活性；

c）與PPD-E水凝膠以及對照樣接觸前和接觸后的掃描電鏡圖（左），活/死菌染色圖（右）。黃色箭頭代表形態變化和病原體的損傷；

d）EPL的抗菌機理示意圖。

圖7 PPD-E水凝膠的體外細胞毒性測試

a）使用L929成纖維細胞進行的細胞活性研究；

b）在PPD-E水凝膠表面培養L929成纖維細胞3天后的光學顯微鏡照片；

c）在PPD-E水凝膠以及對照樣表面分別培養1、3、5、7天后的表皮細胞的存活和空間分布圖。使用兩種活性染料對細胞進行了染色，細胞膜標記PKH 26（紅色熒光），細胞核標記Hoechst 33342（藍色熒光）。

圖8 PPD-E水凝膠的止血效果

a）小鼠肝臟出血模型和PPD-E水凝膠與肝表面粘附的示意圖；

b）分別用PPD-E水凝膠、纖維蛋白膠處理肝損傷處以及不做任何處理120秒后的總失血量；

c）2min內每30s拍攝一次分別用PPD-E水凝膠、纖維蛋白膠處理肝損傷處以及不做任何處理的交叉視圖。

圖9 PPD-E水凝膠在體內傷口閉合和皮膚修復方面的應用評估

a）分別用PPD-E水凝膠、纖維蛋白膠和生理鹽水處理傷口7天的照片；

b）傷口閉合速率；

c）PPD-E水凝膠在傷口處原位形成以及組織錨點和抗感染機理示意圖。

圖10 PPD-E水凝膠的組織學分析和抗感染能力

a）用PPD-E水凝膠、纖維蛋白膠和生理鹽水處理傷口7天后的蘇木精伊紅（H&E）和馬森三色染色圖。黑色箭頭指示血管，虛線表示傷口上的顆粒；

b）一周后對IL-6和TNF-α的免疫螢光染色圖。細胞核、IL-6 和TNF-α分別用DAPI（藍色）、SA00006-3（紅色）和SA00006-1（綠色）染色。白色箭頭和方框代表IL-6 和TNF-α的位置和數量。

【小結】

徐虹教授等人制備的PPD水凝膠在傷口修復、藥物釋放和組織工程等方面具有廣泛的應用。這種仿生組織親和性水凝膠體系可以為貽貝啟發材料的設計提供分子水平的啟發。

文獻鏈接：A Biomimetic Mussel-Inspired ε-Poly-l-lysine Hydrogel with Robust Tissue-Anchor and Anti-Infection Capacity（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201604894）

本文由材料人編輯部高分子小組黃亞整理編譯。

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