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暨南大學(xué)劉明賢教授團(tuán)隊《Bioact. Mater.》：具備抗菌止血能力的金@埃洛石/甲殼素復(fù)合水凝膠傷口敷料
2022-06-15  來源：高分子科技

  大出血仍然是世界各地失血性休克和院前創(chuàng)傷死亡的主要原因，嚴(yán)重的創(chuàng)傷極易受到外部病原體的影響，引起感染性并發(fā)癥的發(fā)生，進(jìn)一步影響傷口愈合過程。因此，開發(fā)多功能和高性能止血材料治療傷口出血和感染迫在眉睫。水凝膠作為創(chuàng)面敷料具有明顯的優(yōu)勢，其生物相容性好、柔軟靈活、可生物降解，然而其止血性能和抗菌能力需要進(jìn)一步提高。


  近日，暨南大學(xué)劉明賢課題組根據(jù)傷口修復(fù)的要求，開發(fā)了一種以甲殼素水凝膠（chitin）為基體，以埃洛石納米管（HNTs）為增強(qiáng)材料和功能載體，管內(nèi)負(fù)載了金納米顆粒（Au NPs），獲得了一種光熱抗菌功能水凝膠，材料同時具備優(yōu)良的止血性能。該研究成果以“Gold@Halloysite Nanotubes-Chitin Composite Hydrogel with Antibacterial and Hemostatic Activity for Wound Healing”為題發(fā)表于Bioactive Materials(影響因子14.593，一區(qū)TOP)雜志上。論文第一作者是暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院2020級碩士生趙普祥，唯一通訊作者是劉明賢教授。


  Au@HNTs-chitin復(fù)合水凝膠材料的主要成分都具良好的生物相容性和生物活性，對生物體的幾乎無毒害作用。這種水凝膠集抗菌與止血兩種性能于一身，同時又保留的水凝膠材料的優(yōu)點，可裁剪可彎折，能夠?qū)崿F(xiàn)不同部位和不同類型的傷口止血和傷口修復(fù)作用。Au@HNTs-chitin復(fù)合水凝膠的制備過程及應(yīng)用示意圖如圖1所示。 


圖1 Au@HNTs-chitin水凝膠的制備過程和應(yīng)用示意圖。


  材料的制備過程是：將甲苯和乙醇的混合溶液中加入少量油酸油胺，加入HNTs和HAuCl4。在毛細(xì)管力的作用下，Au3+和油酸油胺分子加載到HNTs管內(nèi)，在加熱條件下被還原成Au NPs，形成Au@HNTs。為了驗證Au NPs進(jìn)入到了HNTs中，進(jìn)行了TEM測試，如圖2A和B。從TEM照片中可以明顯的看到，中空的HNTs內(nèi)充滿了黑色的球形小顆粒，即Au NPs。圖2D的mapping結(jié)果，更證明了Au NPs填充進(jìn)入了HNTs中。另外，FTIR、XRD、UV-vis等結(jié)果也證明了這一結(jié)論。 


圖2 （A）HNTs和（B）（C）Au@HNTs的TEM圖片；（D）Au@HNTs的Al、Si、Au元素分析圖；（E）FTIR；（F）XRD；（G）紫外分析；（H）（I）XPS；（J）Zeta電位圖


  將甲殼素堿/尿素溶液和Au@HNTs粉末攪拌混勻后，在環(huán)氧氯丙烷（ECH）的交聯(lián)作用下形成水凝膠，浸泡乙醇，使凝膠網(wǎng)絡(luò)收縮，結(jié)構(gòu)致密。圖3A是制備過程中不同階段水凝膠的照片。對不同樣品進(jìn)行了SEM測試得到了如圖3F的結(jié)果。在低倍數(shù)下可以看到，隨著Au@HNTs濃度的增加，水凝膠的孔越來越小，對應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度也更強(qiáng)，這也對應(yīng)了流變和壓縮測試的結(jié)果。在高倍數(shù)下發(fā)現(xiàn)，Au@HNTs穿插在甲殼素的中間，互相粘連，對甲殼素基體起到增強(qiáng)作用。同時，也隨著Au@HNTs濃度的增加，視野中棒狀結(jié)構(gòu)更多。這證明了Au@HNTs能夠促進(jìn)雜化水凝膠機(jī)械強(qiáng)度的增強(qiáng)。 


圖3 （A）水凝膠制備過程的照片；水凝膠的（B）FTIR（C）XRD（D）旋轉(zhuǎn)流變（E）應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)圖；（F）水凝膠在不同倍率下的SEM圖片。


  為了評價Au@HNTs-chitin水凝膠的光熱效果，記錄了808 nm紅外光照射下Au@HNTs-chitin的溫度變化，如圖4所示。可以看到，pure chitin和HNTs-chitin沒有光熱效應(yīng)，而Au@HNTs-chitin具有良好的光熱效應(yīng)，其溫度可以升高40℃，這個效果足以殺死各種細(xì)菌和惡性腫瘤。Au@HNTs-chitin的光熱效應(yīng)可以根據(jù)紅外光的開啟或關(guān)閉進(jìn)行多次再現(xiàn)，如圖4D所示。這表明Au@HNTs-chitin的光熱效應(yīng)在光熱治療過程中是穩(wěn)定的和可重復(fù)的。 


圖4 （A）水凝膠在不同條件下的熱像儀圖片；（B）在2.2 W/cm2功率的808 nm紅外激光照射下不同濃度水凝膠的升溫曲線；（C）10% Au@HNTs-chitin水凝膠在不同功率的808 nm激光照射下的升溫曲線；（D）在808 nm紅外激光循環(huán)照射下10% Au@HNTs-chitin水凝膠的溫度變化曲線。


  為測定Au@HNTs-chitin水凝膠的止血性能，設(shè)計了小鼠肝臟止血和小鼠尾部止血兩個模型，示意圖如圖5A。對于小鼠尾部止血的實驗，四個時間段的照片如圖5B所示。可以明顯地看到，用材料對小鼠尾部傷口進(jìn)行止血的組血量明顯比對照組少，而HNTs-chitin與Au@HNTs-chitin的止血效果要好于pure chitin。各個組的止血時間與失血量如圖5C所示。HNTs-chitin和Au@HNTs-chitin的止血時間都能控制在較短時間以內(nèi)，但pure chitin的組的失血量相對另外兩個實驗組較多，因此，HNTs-chitin和Au@HNTs-chitin具有更好的止血效果。小鼠的肝臟止血模型也同樣證明了證明了它們優(yōu)越的止血性能。其中HNTs起了關(guān)鍵性的作用，HNTs能夠使傷口血液形成血凝塊，觸發(fā)內(nèi)在凝血級聯(lián)，并加速血小板的形成，達(dá)到止血的作用。因此，無論是HNTs-chitin還是Au@HNTs-chitin，其中的HNTs不僅對材料的強(qiáng)度起著一定的作用，也對材料賦予了良好的止血能力。


圖5 （A）小鼠止血模型示意圖；（B）小鼠尾部不同時間點出血圖片；（C）小鼠尾部止血時間和出血量柱狀圖；（D）不同敷料作用下小鼠肝臟出血圖片；（E）小鼠肝臟止血時間和出血量柱狀圖。


  為了研究Au@HNTs-chitin體內(nèi)抗菌效果和傷口愈合能力，制作了如圖6A所示的小鼠傷口染菌模型。為了保證對自身細(xì)胞的危害最小化，通過控制紅外激光的功率使水凝膠的溫度保持在45℃以下。圖6B是不同實驗組感染不同天數(shù)的傷口照片和金葡菌在瓊脂平板上的菌落照片。可以看到，Model組的傷口愈合速度很慢，而Au@HNTs-chitin的組傷口愈合效果明顯，第7天傷口面積僅剩20%。同時，Au@HNTs-chitin組的菌落數(shù)量明顯少于其他組。取第7天的傷口組織進(jìn)行馬松染色，得到圖6F的切片。從藍(lán)色染色強(qiáng)度和區(qū)域可以看出，實驗組之間的膠原沉積均有明顯差異，其中，Au@HNTs-chitin組的膠原沉積密度明顯最大，與control組相似。這表表明Au@HNTs-chitin組的傷口愈合效果要明顯好過其他組。 


圖6 （A）小鼠傷口感染模型示意圖；（B）小鼠傷口隨時間的變化圖片和感染12小時后傷口組織中的細(xì)菌照片；（C）不同組的傷口面積變化統(tǒng)計圖；（D）感染傷口組織液中細(xì)菌的OD值；（E）組織液涂板后細(xì)菌的數(shù)量統(tǒng)計圖；（F）感染后第7天小鼠傷口組織的馬森染色切片圖。


  上述工作是在國家自然科學(xué)基金面上項目(52073121)、廣東省自然科學(xué)基金項目(2019A1515011509)；廣州市科技計劃項目(202102010117)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(21619102) 的資助下完成的。

  論文全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22002560

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