武汉理工戴红莲教授团队 AHM：“一石三鸟”，基于磺胺嘧啶银调控的兼具稳定性、动态性和抗菌性的水凝胶用于感染创面愈合

2024-04-14 来源：高分子科技

动态共价键水凝胶由于其固有的动态可逆性，在伤口敷料、药物输送、生物传感器等生物医学领域得到了广泛的应用。其中，亚胺键是动态共价键中最突出的类型之一，其特点是具有极强的可逆性和动态性。然而，受孤对电子的电子离域和负诱导效应的影响，亚胺键稳定性低，极大地限制了亚胺键水凝胶的应用。目前提高亚胺键稳定性的方法，在一定程度上会导致亚胺键的动态“锁定”，从而降低了水凝胶的动态性。因此，亚胺键水凝胶在应用中存在着稳定性与动态性的矛盾问题。

近期，武汉理工大学戴红莲教授团队通过引入小分子催化剂磺胺嘧啶银（AgSD），构建了一种基于亚胺键交联并在同一交联链上引入二硫键的水凝胶网络。其中，AgSD可以加速水凝胶中亚胺键的形成，增强了水凝胶在特定时间范围内的稳定性。同时，AgSD中的银离子可以与同一交联链上的二硫键形成Ag-S配位，增强了水凝胶的动态性，从而巧妙地解决了亚胺键水凝胶稳定性与动态性的矛盾。值得注意的是，AgSD作为抗菌药物还赋予了水凝胶显著的杀菌能力，有效促进了细菌感染创面的愈合。

1、OHAC-AgSD水凝胶的制备（图1）

通过对基体材料透明质酸钠（HA）进行改性，成功合成了前驱体氧化透明质酸钠（HA-CHO）和接枝胱胺的透明质酸钠（HA-Cys）。随后，引入小分子催化剂AgSD，基于HA-CHO中醛基与HA-Cys中氨基之间的席夫碱反应制备了OHAC-AgSD水凝胶。一方面，AgSD中的苯胺类结构可以催化席夫碱反应，加速水凝胶中亚胺交联键的形成，从而提高了水凝胶网络结构的稳定性。此外，AgSD中的Ag⁺部分，可以与水凝胶二硫键断裂后的硫原子相互作用，形成金属配合物Ag-S，从而提高了水凝胶网络结构的动态性。更重要的是，AgSD作为磺胺类抗菌剂的代表，具有磺胺嘧啶（SDZ）和Ag⁺的双重抗菌效果。因此，基于AgSD的引入，该亚胺键水凝胶同时具备稳定性、动态性和抗菌性，实现了“一石三鸟”，在抗菌敷料领域具有广阔的应用前景。

图1. 水凝胶的制备及AgSD的一石三鸟策略

2、OHAC-AgSD水凝胶的稳定性表征（图2）

AgSD可提高亚胺键的生成速度，加速水凝胶网络的形成，并在一定时间内促使网络达到更高的交联密度。小分子反应模型的定性分析，证实了AgSD对席夫碱反应的催化作用。通过表征凝胶时间和力学性能探究了水凝胶网络结构的稳定性，与不含催化剂的OHAC水凝胶相比，OHAC-AgSD水凝胶的凝胶时间缩短了36.9倍，压缩强度提高了2.4倍，压缩模量提高了2.5倍。

图2.AgSD提高水凝胶网络结构的稳定性

3、OHAC-AgSD水凝胶的动态性表征（图3）

AgSD催化水凝胶中的亚胺键快速交联形成稳定的网络结构，一定程度上影响了动态亚胺键的断裂重组能力。然而，水凝胶中存在的另一动态共价键二硫键发生断裂时，硫原子可以与AgSD中的银离子相互作用形成金属配位键。红外和拉曼光谱分析验证了水凝胶中的Ag-S配位结构。通过表征自愈合性能和流变学性能探究了水凝胶网络结构的动态性，与不含二硫键结构的OHAMD-AgSD水凝胶相比，OHAC-AgSD水凝胶的自愈合效率提高了2.3倍，弛豫时间缩短了25.1倍。

图3. AgSD增强水凝胶网络结构的动态性

4、OHAC-AgSD水凝胶的抗菌性表征（图4）

基于AgSD的引入开发出了兼具稳定性和动态性的OHAC-AgSD水凝胶，而AgSD作为磺胺类抗菌剂赋予了水凝胶显著的抗菌能力。通过表征不同类型细菌的抑菌率和细菌形态探究了水凝胶的抗菌性能，与其他组水凝胶相比，OHAC-AgSD水凝胶对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌均具有最优的抑菌效果，且对细菌的破坏程度最高。

图4. AgSD赋予水凝胶显著的抗菌性能

5、OHAC-AgSD水凝胶的感染性创面应用（图5）

建立大鼠全厚层皮肤伤口感染模型，评估水凝胶的促创面愈合能力。通过平板计数法统计了第3天创面部位的细菌存活率，OHAC-AgSD水凝胶在创面感染初期可以高效快速地清除细菌，有效促进了炎症期到增殖期的愈合阶段，加速了感染性创面的修复进程。通过对创面愈合率进行定量分析来评估水凝胶的促愈合效果，与其他组水凝胶相比，OHAC-AgSD水凝胶表现出最高效的愈合速度和愈合程度，具有优异的促感染性创面愈合的能力。

图5. OHAC-AgSD水凝胶促进大鼠感染性创面的愈合

综上所述，本研究提出了一种基于小分子催化剂AgSD的引入，同时调控亚胺键水凝胶网络稳定性和动态性的新策略。在该策略中，AgSD作为席夫碱反应的催化剂，可以加速HA基水凝胶中亚胺交联键的形成，提高水凝胶网络结构的稳定性。同时，通过AgSD与二硫键形成的Ag-S配位来提高水凝胶网络结构的动态性，从而有效地解决了亚胺键水凝胶应用中稳定性和动态性的内在矛盾问题。此外，AgSD还赋予了水凝胶显著的抗菌性能，在感染性创面的修复领域具有重要的应用潜力。

该研究以“One stone three birds: silver sulfadiazine modulates the stability and dynamics of hydrogels for infected wound healing”为题发表于《Advanced Healthcare Materials》（10.1002/adhm.202400242）。文章第一作者为武汉理工大学硕士研究生黄晔与博士研究生康海飞，通讯作者为武汉理工大学戴红莲教授。本研究受到国家自然科学基金、深圳市基础研究重点项目等项目资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202400242

下载：One stone three birds: silver sulfadiazine modulates the stability and dynamics of hydrogels for infected wound healing

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（责任编辑：xu）

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