《J. Mater. Sci. Technol.》：压电粒子纳米酶复合水凝胶配合超声，抗菌抗氧化进而有效修复创面

治疗严重烧伤伤口仍然面临重大挑战，包括大量细胞损失、过度炎症和高度易受细菌感染。理想的烧伤敷料应具有出色的抗菌性能、抗炎作用并促进细胞增殖。此外，它们需要方便无痛地更换敷料并易于使用。

基于以上要求，来自西安交通大学的憨勇/赵鑫团队联合西安科技大学邓泽星团队通过席夫碱反应交联聚（N-异丙基丙烯酰胺-共-烯丙氧基苯甲醛）（PNA）和氨基封端的Pluronic F127（APF）合成了一种多功能可移除和可涂抹的纳米复合温敏水凝胶敷料，具有可逆的凝胶-溶胶转变、广泛的凝胶温度范围、超声响应的杀菌/修复促进调节和级联抗氧化特性。该敷料集成了Au@BaTiO₃的压电功能和MOF-818的级联纳米酶活性，用于治疗感染性烧伤伤口（图1）。

相关研究成果以“Spreadable thermosensitive nanocomposite hydrogel dressing with ultrasound-responsive bactericidal/repair-promoting regulation and cascade antioxidantion for infected burn wound repair”为题于2024年9月20日发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。 

图1 P/A/AB/M水凝胶制备及其应用说明，通过超声波（US）治疗促进全层烧伤皮肤伤口修复

1.MOF-818、BaTiO₃及Au@BaTiO₃的合成及物理化学性能

MOF-818是基于简单的溶剂热法合成的，通过SEM和TEM证实了MOF-818的成功合成。接着，使用高分辨率TEM研究了Au@BaTiO₃纳米粒子的微观结构。Au@BaTiO₃粒子呈现纳米立方体形状，金纳米粒子分布在其表面上或周围（图2a）。EDX光谱和映射结果证实了氧、钛、钡和金元素的存在（图2b）。    

图2 Au@BaTiO₃纳米粒子的形貌及其ROS生成性能、MOF-818的SOD/CAT样活性

2.超声作用下Au@BaTiO₃的ROS生成性能、MOF-818的SOD/CAT样活性

BaTiO₃是一种应用广泛的宽带隙铁电半导体，在BaTiO₃纳米立方体表面沉积金纳米粒子，形成金属/半导体肖特基异质结，该异质结通过诱导BaTiO₃能带弯曲，促进电子-空穴对的分离和迁移，从而提高BaTiO₃的压电性能。图2c为基于Au@BaTiO₃相位-电压曲线的压电性能，加偏压后相位度发生明显偏移，表明Au@BaTiO₃具有良好的压电性能。超声波可以在Au@BaTiO₃中诱发机械变形和压电效应，从而产生电子-空穴对，进而在Au@BaTiO₃表面建立表面压电势，形成较强的内建电场。此外，超声波产生的极化电荷和载流子可以通过氧化还原机理与周围分子（如H₂O和O₂）发生反应，生成ROS。接下来作者研究了不同超声功率下Au@BaTiO₃的·OH和¹O₂生成能力，表明适合含量的Au@BaTiO₃能够生成ROS实现有效的抗菌效果（图2d-g）。    

随后作者评估了不同浓度MOF-818的SOD和CAT样活性（图2h-i），有利于消除过量的ROS。对于SOD样活性（图2h），其中·O₂转变为O₂和H₂O₂。少量的MOF-818即可实现·O₂清除能力，仅用10μg/mL的MOF-818即可达到接近100％的·O₂清除率，原因是带负电荷的·O₂可以被MOF-818吸引并与其发生反应。通过检测·O₂歧化反应产生的H₂O₂的分解来评估MOF-818的类CAT活性(图2i)，随着MOF-818浓度从10 μg/mL增加到200 μg/mL，410 nm处的吸收峰值逐渐降低，表明随着MOF-818浓度的增加，H₂O₂分解效果更好。

3.水凝胶的基本性质

接着，作者对PNA的化学结构和温敏性能进行了研究。通过¹H NMR确认PNA的化学结构表明PNA合成成功（图3a）。PAN样品在4 °C时完全溶解，表明其具有优异的水溶性（图3b）随后，引入APF与PNA形成席夫碱交联，防止PNA在加热时沉淀，形成均质温敏P/A水凝胶，然后将纳米酶-MOF818和压电材料- Au@BaTiO₃分别或集成加载到水凝胶中，制备出温敏纳米复合水凝胶。为了增强功能性纳米颗粒在伤口区域的保留，从而提高治疗效果，同时限制其细胞毒性，将两种纳米颗粒都掺入P/A水凝胶中，制备出P/A/AB/M纳米复合水凝胶。P/A和P/A/AB/M水凝胶还表现出热诱导可逆溶胶-凝胶行为，在37 ℃下凝胶，在4 ℃下溶解（图3c）。P/A/AB/M水凝胶可以铺展并粘附在皮肤上而不会脱落（图3d）。在涂抹冷水（<2 ℃）后，乳白色的P/A/AB/M水凝胶可以在4秒内迅速变成透明溶胶状态（图3d），表现出优越的便捷去除性。同时，作者研究了纳米粒子的加入对水凝胶流变性能的影响（图3e）。所有水凝胶的储能模量比较稳定，且高于相应的损耗模量，表明样品的凝胶状态良好。水凝胶中的PNA和APF均表现出温度敏感性，因此需要考虑温度对水凝胶流变行为的影响。所有水凝胶在 20-50°C 的温度范围内均保持稳定的储能模量，表明我们的水凝胶可以在宽的温度波动范围内保持理想的凝胶状态，从而为伤口愈合提供稳定的环境（图3f）。此外，P/A/AB/M水凝胶由于其通过席夫碱交联和物理相互作用形成的高动态网络而表现出良好的自修复能力（图3g）。    

图3 水凝胶的基本表征

4.MOF-818与Au@BaTiO₃的生物相容性及抗菌效果

该研究首先通过活/死染色（图4a）和Alamar BlueTM测定（图4b）评估MOF-818对RAW264.7巨噬细胞（MΦs）和L929成纤维细胞的细胞毒性。使用了四种浓度的BaTiO₃、1 Au@BaTiO₃和2 Au@BaTiO₃：25、50、75和100μg/mL（图4c-f）。此外，还施加0.5 W/cm²的超声波处理（US）以研究Au@BaTiO₃纳米粒子对促进细胞增殖的压电效应。MΦs与L929细胞共培养24小时后，活/死染色图像无明显差异，但各组间线粒体活性有差异（图4g-h）。在US（+US）存在下，线粒体活性显著增强，浓度为75 μg/mL的1Au@BaTiO3纳米粒子在MΦ和L929细胞中均表现出最高的线粒体活性。Alamar BlueTM测定表明五种共聚物的细胞活力均可达到90%以上，具有良好的细胞相容性，可用于制备生物相容性水凝胶基质，以负载上述两种功能纳米粒子（图4i）。 

图4 水凝胶的细胞相容性及其抗菌性   

使用MRSA和PA评估Au@BaTiO₃在没有或存在US处理的情况下的抗菌能力（图4j）。与空白组相比，在没有US处理的情况下，MOF-818 在两种菌株中的细菌菌落数均显著减少；经超声处理后，菌落数均较空白组有所下降，但下降幅度不同，且空白组杀菌效果最差。其中，2 Au@BaTiO₃的杀菌效果明显弱于1 Au@BaTiO₃。因此，后续实验中选择1 Au@BaTiO₃进行，并称为Au@BaTiO₃。

5.MOF-818和Au@BaTiO₃的免疫调节作用

作者进一步评估了MOF-818对过氧化氢诱导的MΦ氧化应激的防护性能（图5a）。结果表明MOF-818可以通过清除ROS有效缓解氧化应激从而提供细胞保护。通过与MΦ共培养1天和3天，检测M1和M2相关标志物，评估了MOF818和Au@BaTiO3对免疫调节的影响（图5b-c），表明US处理下BaTiO₃（和Au@BaTiO₃）的压电效应可以有效调节MΦ极化。综合实验结果，MOF-818、Au@BaTiO₃和低强度超声联合应用可促进MΦ向M2极化，且效果优于单独使用其中任何一种。    

图5 MOF-818和Au@BaTiO₃的免疫调节作用

6.体内感染烧伤创面愈合

由于Au@BaTiO₃和MOF-818的组合具有优异的细胞功能调节和体外抗菌性能，这些材料被加入P/A水凝胶中，用于治疗铜绿假单胞菌感染的烧伤伤口。治疗3天后，市售3M敷料和P/A水凝胶治疗组在伤口表面出现淡黄色渗出物，表明细菌感染明显；相反，P/A/AB治疗组的渗出物量减少，P/A/AB/M和P/A/A/AB/M+US组的感染明显较轻（图6a）。治疗14 d后，空白组创面闭合率仅为31.26%，P/A水凝胶组创面闭合率升至59.79%；P/A/AB、P/A/AB/M、P/A/AB/M+US组创面闭合率分别为80.43%、89.84%、98.51%（图6b-c）。除了测量伤口闭合率外，作者还在第3天评估了各治疗组伤口上的细菌数量。其中，P/A/AB/M水凝胶施加1.5 W/cm²超声10分钟时，杀菌率达到99%，表现出了优异的抗菌性能有利于伤口愈合。    

通过组织学分析进一步表征了水凝胶的修复效果（图6d）。HE表明P/A/AB/M+US组的表皮结构增强，完整性更规则，表明该组实现了最佳愈合；Masson三色染色进一步表明P/A/A/AB/M+US组胶原沉积明显高于其他三组（图6f-g）。P/A/AB/M+US组胶原沉积最明显，胶原纤维结构更规则。

图6 动物实验结果及组织染色分析

综上，本文开发了一种多功能可移除和可涂抹的纳米复合水凝胶敷料，具有可逆的凝胶-溶胶转变、广泛的凝胶温度范围、超声响应的杀菌/修复促进调节和级联抗氧化特性。该敷料集成了Au@BaTiO₃的压电功能和MOF-818的级联纳米酶活性，用于治疗感染性烧伤伤口。在低强度超声刺激下，Au@BaTiO₃和MOF-818的组合显着促进成纤维细胞增殖和迁移，为细胞提供抗氧化作用，并促进MΦ极化为M2表型。在高强度超声刺激下，它表现出对MRSA和PA的优异杀菌活性。动物实验表明纳米复合水凝胶通过消除PA、减少炎症、促进肉芽组织形成、增强血管形成和增加胶原沉积，显著加速了感染烧伤伤口的愈合。    

文章来源：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.08.054