研究背景

水凝膠因其優(yōu)異的柔韌性和生物相容性在皮膚再生與傷口護(hù)理領(lǐng)域顯示出廣闊前景，但傳統(tǒng)水凝膠普遍存在機(jī)械強(qiáng)度不足和粘附性能差的問題，限制了其實(shí)際應(yīng)用。纖維素作為自然界中含量豐富、成本低廉且可持續(xù)的生物聚合物，具備高模量、良好生物相容性和可降解性，其表面大量羥基可形成氫鍵，賦予材料良好粘附性。然而，天然纖維素水溶性差，難以直接用于水凝膠制備，且單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的纖維素水凝膠通常脆性高、易斷裂，無法滿足傷口敷料對(duì)力學(xué)性能和可靠性的要求，因此，開發(fā)一種兼具優(yōu)異力學(xué)性能、可靠粘附性、生物安全性及功能化藥物載釋能力的新型水凝膠，成為推動(dòng)傷口敷料技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵研究方向。

文章概述

南京林業(yè)大學(xué)夏常磊教授團(tuán)隊(duì)、賴晨歡教授團(tuán)隊(duì)和同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海皮膚病醫(yī)院賴永賢副主任專家團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由纖維素二醛（DAC）、羧甲基殼聚糖（CMCS）和聚丙烯酰胺（PAM）構(gòu)成的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。其創(chuàng)新性地結(jié)合了通過希夫堿反應(yīng)形成的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和通過自由基聚合形成的穩(wěn)固共價(jià)鍵兩種網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)使水凝膠兼具卓越的力學(xué)性能（高拉伸性（>1400 %）、強(qiáng)度（>400 kPa）與韌性（>2900 kJ m?3）和良好的皮膚自粘附性（2.7 kPa），同時(shí)具備優(yōu)異的生物相容性，能在小鼠模型中顯著加速傷口愈合，從而成為解決當(dāng)前水凝膠敷料力學(xué)與粘附性不足問題的有力候選材料。

圖文導(dǎo)讀

1.DCP-GPS水凝膠的制備

該研究成功構(gòu)建了一種基于DAC和CMCS的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并通過自由基聚合引入PAM作為第二網(wǎng)絡(luò)，形成具有動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和共價(jià)交聯(lián)的雙重結(jié)構(gòu)。該水凝膠不僅具備優(yōu)異的機(jī)械性能（1432%的拉伸應(yīng)變、402.37 kPa的拉伸應(yīng)力和2958.44 kJ/m3的韌性），還展現(xiàn)出良好的生物相容性（細(xì)胞存活率>97%），并能通過負(fù)載藥物龍膽苦苷（GPS）有效促進(jìn)傷口愈合，顯示出在傷口敷料領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

圖1 （a）DCP-GPS水凝膠合成示意圖。（b）雙網(wǎng)載藥水凝膠作為傷口敷料的應(yīng)用。（c） 這項(xiàng)工作與以前的研究的比較

2.DCP-GPS水凝膠的合成和表征

通過傅里葉變換紅外光譜、固態(tài)13C核磁共振、X射線衍射和X射線光電子能譜等多種表征手段，證實(shí)了微晶纖維素（MCC）經(jīng)高碘酸鈉氧化成功轉(zhuǎn)化為DAC，其醛基含量為9.02 mmol/g，氧化度達(dá)76.75%。DAC與CMCS通過席夫堿反應(yīng)迅速形成凝膠，XPS和FT-IR進(jìn)一步驗(yàn)證了C=N鍵的生成。隨后在紫外光引發(fā)下，丙烯酰胺聚合形成第二網(wǎng)絡(luò)，SEM圖像顯示雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（DCP-3）具有更致密、均勻的三維多孔結(jié)構(gòu)，顯著優(yōu)于單一PAM水凝膠。

圖2 (a) MCC、DAC、CMCS及DAC+CMCS的傅里葉變換紅外光譜。(b) MCC與DAC的固態(tài)13C核磁共振譜圖。(c) MCC與DAC的差示掃描量熱法（XRD）譜圖。(d) DAC+CMCS溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程的顯微圖像。(e) DAC+CMCS的儲(chǔ)能模量（G‘）與損耗模量（G″）。(f) DAC與DAC+CMCS的差示掃描量熱（XPS）譜圖。(g) AM與DCP-3水凝膠的傅里葉變換紅外光譜。(h) PAM水凝膠的掃描電鏡（SEM）圖像。(i) DCP-3水凝膠的掃描電鏡（SEM）圖像。

3.DCP-GPS水凝膠的力學(xué)性能

DCP-3-GPS水凝膠表現(xiàn)出卓越的力學(xué)性能，尤其在CMCS濃度為3 wt%時(shí)，拉伸應(yīng)變和應(yīng)力分別達(dá)到1432.48%和402.37 kPa，韌性為2958.44 kJ m-3，遠(yuǎn)優(yōu)于純PAM水凝膠。循環(huán)拉伸測(cè)試顯示其具有良好的能量耗散能力和彈性恢復(fù)率（最高達(dá)89.95%），表明雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效提升了材料的耐久性與回彈性。此外，該水凝膠還能實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋釋放，36小時(shí)內(nèi)持續(xù)釋放GPS，優(yōu)于PAM的12小時(shí)快速釋放，有利于維持穩(wěn)定的藥物濃度。

圖3 （a）DCP-3-GPS水凝膠的扭曲、拉伸和打結(jié)。（b）不同CMCS濃度制備的DCP-GPS水凝膠的拉伸試驗(yàn)。（c）DCP-GPS水凝膠的韌性。（d）用不同交聯(lián)劑（BAC）濃度制備的DCP-3-GPS水凝膠的拉伸試驗(yàn)。（e）DCP-3-GPS水凝膠的加載-卸載曲線，應(yīng)變從50%增加到500%。（f）DCP-3-GPS水凝膠在應(yīng)變從50%增加到500%時(shí)計(jì)算的韌性和耗散能。（g） DCP-3-GPS水凝膠與150%應(yīng)變的多周期拉伸試驗(yàn)。（h）計(jì)算DCP-3-GPS水凝膠的韌性、耗散能和彈性恢復(fù)。（i）DCP-3-GPS和PAM-GPS在37 °C下橙苦苷（GPS）的累積釋放。

4.DCP-GPS水凝膠的粘合劑

DCP-3-GPS水凝膠對(duì)多種基質(zhì)（如紙張、玻璃、金屬和豬皮）均表現(xiàn)出良好的粘附性，其中對(duì)豬皮的粘附強(qiáng)度為2.70 kPa。其粘附機(jī)制主要源于DAC和CMCS中大量極性基團(tuán)（如-OH、-COOH、-NH?）與基質(zhì)間的氫鍵作用，以及席夫堿鍵的增強(qiáng)效應(yīng)。接觸角測(cè)試顯示DCP-3-GPS具有更強(qiáng)的親水性，有利于界面潤(rùn)濕與粘附。此外，水凝膠在重復(fù)使用、不同溫度、pH環(huán)境和長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中仍能保持較好的粘附性能，顯示出良好的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

圖4 DCP-3-GPS水凝膠的粘合性能。（a）描述DCP-3-GPS水凝膠粘附在各種基材上的圖像。（b）DCP-3-GPS水凝膠對(duì)玻璃的粘合強(qiáng)度-位移曲線。（c）不同比例的DCP-GPS水凝膠和PAM在各種基材上的粘合強(qiáng)度。（d）DCP-3-GPS水凝膠與玻璃的可重復(fù)粘附。（e）DCP-3-GPS水凝膠在不同溫度下對(duì)玻璃的搭接剪切強(qiáng)度。（f）DCP-3-GPS水凝膠在玻璃上的長(zhǎng)期附著力試驗(yàn)。（g）DCP-3-GPS水凝膠浸入酸性和堿性溶液后的附著力測(cè)試。

5.DCP-GPS水凝膠生物相容性和體內(nèi)傷口愈合測(cè)定

細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明，DCP-3和DCP-3-GPS水凝膠均具有優(yōu)異的生物相容性，細(xì)胞存活率超過90%。在小鼠全層皮膚缺損模型中，DCP-3-GPS組在第7天傷口愈合率即達(dá)62.86%，顯著高于對(duì)照組和未載藥組，第14天愈合率接近100%。組織學(xué)分析（H&E和Masson染色）進(jìn)一步證實(shí)DCP-3-GPS能有效促進(jìn)表皮再生和膠原沉積，縮短愈合時(shí)間。這些結(jié)果凸顯了該水凝膠在促進(jìn)皮膚再生與傷口閉合方面的潛力。

圖5 （a） 水凝膠的生物相容性。（a）用DCP-3和DCP-3-GPS處理24小時(shí)的MSF細(xì)胞的細(xì)胞活力。（b）通過活染色和死染色（bar = 100μm）檢測(cè)細(xì)胞活力。

圖6 DCP-3-GPS水凝膠促進(jìn)小鼠傷口愈合。（a）小鼠傷口的代表性圖像。（b） 模擬傷口大小。（c）傷口面積統(tǒng)計(jì)分析（*p < 0.05;**p < 0.01;和 ***p < 0.001，n = 5）。（d）在治療后第10天對(duì)5組小鼠的傷口皮膚組織進(jìn)行H&E染色和Masson染色（bar = 100 μm）。

結(jié)論

該研究成功開發(fā)了一種基于纖維素/殼聚糖的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，具有優(yōu)異的拉伸性、高強(qiáng)度、高韌性和良好的自粘附性。該水凝膠通過動(dòng)態(tài)席夫堿反應(yīng)和自由基聚合構(gòu)建雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兼具能量耗散與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)具備良好的生物相容性與藥物緩釋能力。

創(chuàng)新點(diǎn)

該研究通過構(gòu)建由動(dòng)態(tài)希夫堿鍵和共價(jià)交聯(lián)組成的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成功制備出兼具高機(jī)械強(qiáng)度、自粘附性和生物相容性的纖維素/殼聚糖基水凝膠，用于促進(jìn)傷口愈合。

啟發(fā)

雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠通過動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵與共價(jià)鍵協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、自粘附與生物相容性的統(tǒng)一，為智能傷口敷料設(shè)計(jì)提供了新思路。

文章來源

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.12386

來源：Go Cellulose