上海交大陈玉洁/杨秩团队《Adv. Healthc. Mater.》：适用于恶劣医疗环境的有机水凝胶

2023-07-15 来源：高分子科技

传统水凝胶存在抗拉强度低、保水性差、防冻性差等固有缺陷。在组织工程中，一旦水凝胶失去水分或冻结，与组织间的相互作用界面将被硬化并破坏新生的肉芽组织。本论文基于“硬框架-软渗透”的设计理念，通过将细菌纤维素和富含血小板的血浆（PRP）引入甘油/水二元溶剂渗透的聚-N-[三（羟甲基）甲基]丙烯酰胺（THMA）/N-丙烯酰天冬氨酸（AASP）混合有机凝胶网络中，制备了一种粘附性有机水凝胶。所制备的有机水凝胶在低温（-80 °C）下表现出优异的防冻性能，在开放环境中12天内表现出稳定的长期保水性（91%），并且通过“氢键团簇”的作用牢固地粘附在组织上。在体内，负载PRP的有机水凝胶可以释放多种生长因子，通过胶原沉积和血管生成加速伤口愈合过程。总之，这种策略将延长水凝胶在一些恶劣医疗环境中的使用寿命。

近日，上海交通大学材料科学与工程学院陈玉洁副研究员和上海交通大学医学院附属第九人民医院杨秩副教授团队在《Advanced Healthcare Materials》上发表题为“Platelet-rich Plasma Composite Organohydrogel with Water-locking and Anti-freezing to Accelerate Wound Healing”的原创性研究论文。文章的第一作者是上海交通大学材料科学与工程学院的博士生蔡超和上海交通大学医学院附属第九人民医院的博士生朱慧敏。该团队针对传统水凝胶在恶劣医疗环境下使用寿命短的问题，受自然界中耐寒动、植物的启发，制备了一种抗冻、保湿的有机水凝胶，能够实现伤口的快速愈合（图1）。

图1抗冻、保湿的有机水凝胶加速伤口愈合的示意图

【抗冻、保湿效果评估】

如图2A所示，有机水凝胶良好的防冻和锁水性能主要归因于水和甘油之间丰富的氢键相互作用，这破坏了零度下冰晶的形成，并使得游离水减少。我们评估了有机水凝胶在不同温度、储存条件下的应用潜力。首先，基于加权法对有机水凝胶的锁水性能进行了评价。如图2B所示，含甘油水凝胶在开放环境（温度：26-33 °C）中储存12天后，可保持其初始重量的91%以上。相反，不含甘油的水凝胶仅保持其初始重量的45%，并且放置12天后其体积也显著收缩（图2C）。如图2D所示，由于样品中的冰融化，无甘油水凝胶在≈0 °C表现出结晶尖峰作为其凝固点。随着甘油含量的增加，有机水凝胶的冰点逐渐降低，表现出显著的抗冻性。特别是，当甘油含量达到50 wt%时，在DSC曲线中没有观察到结晶峰，表明样品在-80至20 °C的温度范围内表现出良好的抗冻稳定性。此外，从图2E中可以直观地看出，不含甘油的水凝胶显著冻结。在-20 °C下储存48小时后，含有甘油的水凝胶可以很容易地扭曲和拉伸，而不会出现断裂现象。然而，不含甘油的水凝胶被冷冻硬化，且很容易断裂。

图2 （A）甘油和水之间的氢键可以提高有机水凝胶的防冻和保水能力。（B）在26–33°C下储存12天后，含甘油和不含甘油水凝胶的失重图。（C）含甘油和无甘油水凝胶在开放环境（26-33°C）中暴露8天后的照片。（D）不同甘油比例的水凝胶的DSC曲线。（E）拉伸和扭曲后，在-20°C下冷冻48小时的含有和不含有甘油的水凝胶的照片。

【体内伤口修复效果评估】

经过短时间的修复（10天），从图3A中的照片可以看出，有机水凝胶+PRP组的伤口几乎愈合，与其他两组相比，有机水凝胶+PRP组的创伤直径要小得多（图3B）。组织学分析结果（图3C，D）进一步显示，有机水凝胶+PRP组胶原纤维更致密、组织更好，血管和毛囊更多，而其他两组在伤口表面几乎看不到新的毛囊结构，角蛋白愈合层较厚。

图3 （A）大鼠的创伤模型和创伤修复的效果。（B）不同组创面的长度和表皮边缘的厚度。（C、D）伤口组织的H&E和Masson染色及其放大视图。*，p＜0.05。

详细研究内容请见:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202301477

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（责任编辑：xu）

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