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《ACS AMI》西南交大鲁雄等：光热/光动力效应的电活性水凝胶促进伤口愈合

花匠小妙招
2024-11-09 06:01

皮肤创面敷料如何实现促进创面快速愈合且抗菌抗感染，是临床面临的重大挑战。水凝胶敷料具有氧气渗透的潮湿环境和机械强度，能够适应不规则伤口，可以作为暂时和被动的细菌屏障。但作为抗菌感染型敷料，需要对水凝胶的理化性质进行工程设计，以适应其特殊的抗菌性能。

光动力疗法(PDT)，是使用光敏剂在在近红外(NIR)光照射下产生活性氧(ROS)，破坏细胞膜，可以提供一种随需应变的抗菌治疗。

石墨烯具有较高的光热转换效率、导电性、生物相容性和表面积，最近在抗菌治疗和癌症治疗中得到了相关应用。

其中，聚多巴胺(PDA)可以降低疏水性，它可以将氧化石墨烯(GO)还原为石墨烯。并且，PDA介导的氧化石墨烯(PGO)具有合理的亲水性和良好的光热响应。PGO具有良好的导电性和丰富的表面活性位点，能有效促进细胞粘附，传递内源性电信号。

将光敏剂吲哚菁绿(ICG) 加载到PGO表面，可在近红外光照射下产生局部热量和活性氧。

西南交通大学鲁雄、Guo Xiaochuan团队，设计了一种近红外(NIR)光响应吲哚菁绿(ICG)负载的聚多巴胺(PDA)介导的氧化石墨烯(PGO)和无定形磷酸钙(CaP)掺入的聚乙烯醇(PVA)水凝胶。PGO被PDA还原，使水凝胶具有电活性，为ICG的加载提供了丰富的位点。在聚乙烯醇水凝胶中原位形成非晶态CaP，以提高其力学性能和生物相容性。利用ICG-PGO的高光热和光动力效率，ICG-PGO-CaP-PVA水凝胶在近红外光照射下显示出令人满意的按需抗菌活性。此外，热诱导的PVA凝胶-溶胶转化加速了钙离子的释放，使水凝胶能够适应不规则的伤口。同时，PGO赋予水凝胶导电性和细胞亲和性，促进内源性电信号传递，控制细胞行为。体外和体内研究表明，ICG-PGO-CaP-PVA水凝胶在近红外光照射下表现出较强的组织修复活性。这种以贻贝为灵感的策略为伤口愈合提供了一种设计水凝胶敷料的新方法。该工作以“Electroactive Hydrogels with Photothermal/Photodynamic Effects for Effective Wound Healing Assisted by Polydopamine-Modified Graphene Oxide”为题发表于23年的《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

【制备方法】

1、制备氧化石墨烯（GO）：

将石墨粉与硫酸混合，加入高锰酸钾，然后在冰浴中搅拌数小时，随后在水浴中加热，最后通过过滤和离心得到GO。

2、制备聚多巴胺改性的还原氧化石墨烯（PGO）：

将GO和多巴胺盐酸盐溶解在Tris-HCl溶液中，搅拌24小时后，通过离心分离出PGO。

3、加载靛青绿（ICG）：

将ICG添加到PGO溶液中，在黑暗中反应1小时，通过离心分离得到ICG-PGO。

4、制备ICG-PGO-CaP-PVA水凝胶：

将氢氧化钙溶解在水中，然后在90°C下加入PVA和ICG-PGO溶液，搅拌1小时。缓慢加入磷酸，继续搅拌14小时。将混合液倒入模具中，通过冻融循环得到ICG-PGO-CaP-PVA水凝胶。

5、其他水凝胶的制备：

PGO-CaP-PVA、CaP-PVA和PVA水凝胶的制备方法与上述类似，制备过程中不加入ICG、ICG-PGO或Ca(OH)2/H3PO4。

1.创新的制备方法：采用了仿生方法，通过聚多巴胺的还原作用，将氧化石墨烯（GO）转化为电活性的PGO，提供了丰富的活性位点用于ICG的加载，这是一种新颖的材料制备策略。

2.光热/光动力双重效应：水凝胶结合了靛青绿（ICG）的光热和光动力效应，能够在近红外光照射下产生热量和活性氧（ROS），实现对细菌的快速高效杀灭。

3.智能响应性：ICG-PGO-CaP-PVA水凝胶展现出了对近红外光的智能响应性，能够按需释放抗菌成分，提供了一种非侵入性的治疗手段。

4.增强的机械性能：非晶态氨基磷酸钙（CaP）的引入增强了聚乙烯醇（PVA）水凝胶的机械性能，使其更能适应不规律伤口的形状和运动。

5.促进细胞行为的电导性：PGO的加入为水凝胶提供了电导性，能够传递内源性电信号，调控细胞行为，从而促进伤口愈合过程。

6.热诱导的凝胶-溶胶转换：PVA水凝胶在受热时会发生凝胶-溶胶转换，加速了Ca2+的释放，这些Ca2+离子参与伤口愈合的早期信号活动，促进胶原蛋白的生成和血管再生。

7.多功能集成：水凝胶集成了多种功能，包括抗菌性、电活性、机械增强和促进伤口愈合等，为复杂伤口的治疗提供了一种综合解决方案。

图1：具有多种功能的ICG-PGO-CaP-PVA水凝胶的合成示意图

图2：水凝胶的表征

图3：水凝胶的光热和自愈特性

图4：不同水凝胶的光热和光动力抗菌性能

图5：体内抗菌性能

图6：水凝胶的电活性

图7：水凝胶在NIR光照射下加速伤口愈合

Chaoming Xie, Jiaqing Luo, Yongjie Luo, Jie Zhou, Xiaochuan Guo, Xiong Lu. Electroactive Hydrogels with Photothermal/Photodynamic Effects for Effective Wound Healing Assisted by Polydopamine-Modified Graphene Oxide. ACS Applied Materials & Interfaces. 2023, 15.

来源：生物医用材料进展