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武大周金平教授團隊《ACS AMI》:具有自修復(fù)性能的羧甲基殼聚糖注射型水凝膠敷料的快速制備
2021-05-25  來源:高分子科技
關(guān)鍵詞:殼聚糖 注射水凝膠 敷料

  具有良好生物相容性、自修復(fù)性能和可選擇性移除的注射型水凝膠作為傷口修復(fù)材料在實際應(yīng)用過程中具有巨大優(yōu)勢。然而,同時滿足這些條件的水凝膠傷口敷料的制備仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。最近,武漢大學(xué)天然高分子團隊周金平教授/陳云教授團隊利用羧甲基殼聚糖的離子響應(yīng)性,開發(fā)出了滿足上述功效的水凝膠傷口敷料。該策略是通過引入三價金屬離子Fe3+和Al3+與羧甲基殼聚糖(CMCh)上的羧基形成配位鍵,誘導(dǎo)溶液快速凝膠化(<10s)。由于配位鍵動態(tài)可逆的特點,該水凝膠表現(xiàn)出良好的自愈合能力、自適應(yīng)性和溫度響應(yīng)性。進一步引入SO42- 與CMCh上的氨基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),誘導(dǎo)水凝膠發(fā)生相分離,可以降低水凝膠的粘附性,使水凝膠在使用完后可以被無痛分離,且不產(chǎn)生殘留。利用這些特性,這種水凝膠被用作傷口敷料,可以顯著促進皮膚組織再生,提高傷口愈合速率。


圖1. 水凝膠的制備、結(jié)構(gòu)表征和性能研究


  CMCh的取代度對水凝膠性能有重要影響。首先在堿/尿素水溶液體系下均相合成了不同取代度的CMCh。當(dāng)醚化劑(氯乙酸鈉)與殼聚糖的投料比為3:1時,合成的羧甲基殼聚糖(CMCh-3)為原料制備的水凝膠結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定。隨著投料比升高,CMCh的取代度提高,水凝膠透光率下降,且有不規(guī)則聚集結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。因此選擇CMCh-3為原料制備水凝膠。


  改變CMCh-3和Fe3+/Al3+的含量,可以對水凝膠的流變學(xué)性能進行調(diào)控。由于配位鍵動態(tài)可逆的特點,制備的水凝膠表現(xiàn)出明顯的剪切變稀現(xiàn)象,可用作注射型水凝膠。同時水凝膠還表現(xiàn)出對不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性。水凝膠具有良好的自修復(fù)性能和溫度響應(yīng)性。當(dāng)受到較大形變或者溫度升高時,水凝膠內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞,使其向溶液態(tài)轉(zhuǎn)變。而隨著應(yīng)變降低或者溫度恢復(fù),又可以快速恢復(fù)至凝膠態(tài),且力學(xué)性能可以在短時間內(nèi)完全恢復(fù)。


圖2. 水凝膠選擇性移除性能探究


  CMCh-3上含有氨基、羥基、羧基等活性基團,可以使水凝膠有效粘附于皮膚表面。進一步向水凝膠中引入硫酸根離子,誘導(dǎo)水凝膠發(fā)生相分離,使水凝膠對皮膚表面的親和性變差,粘附力下降。新的交聯(lián)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使水凝膠強度提高。水凝膠這些性質(zhì)的變化可以使其從皮膚表面無痛剝離且不產(chǎn)生殘留。


圖3. 水凝膠對小鼠傷口促愈合效果


  細胞實驗表明水凝膠細胞毒性較低。將制備的水凝膠用作傷口敷料。實驗結(jié)果表明水凝膠可以提高傷口愈合速率。通過對傷口部位的組織切片進行分析,發(fā)現(xiàn)水凝膠可以加速組織膠原蛋白沉積和血管再生,從而促進傷口愈合。這主要是由于殼聚糖自身的生物活性促進細胞增殖以及水凝膠可以維持受損組織部位的濕度,為組織愈合提供一個適宜的環(huán)境。


  以上成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces(DOI:10.1021/acsami.1c02089)上。論文的第一作者為武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院博士生曹金鋒,目前在北京林業(yè)大學(xué)工作,共同第一作者為武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士生吳平,通訊作者為武漢大學(xué)天然高分子團隊周金平教授,共同通訊作者為武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院陳云教授


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c02089

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