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西安交大郭保林團(tuán)隊(duì) AFM:具有可控NO釋放的納米酶基多重刺激響應(yīng)晶膠自適應(yīng)傷口敷料用于感染傷口愈合
2023-08-11  來(lái)源:高分子科技

  由于日常生活和戰(zhàn)場(chǎng)緊急情況下皮膚破損的普遍存在,特別是細(xì)菌等其他病原體會(huì)引起傷口感染,從而增加患者死亡的風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)菌感染的傳統(tǒng)治療方法是抗生素治療,但濫用抗生素導(dǎo)致耐藥性災(zāi)難仍然是不可忽視的危機(jī)。因此,必須為這些感染傷口的傳統(tǒng)治療方法提供一種有前途的替代途徑。迄今為止,感染傷口愈合的治療主要集中在消除感染階段的細(xì)菌定植,而感染傷口愈合后期的需要常常被忽視。因此,目前仍缺乏適應(yīng)感染傷口愈合不同階段需求的自適應(yīng)傷口敷料。自適應(yīng)傷口敷料可以選擇性地針對(duì)傷口愈合的微環(huán)境變化發(fā)揮治療作用,這將極大地避免對(duì)正常組織的損傷,并為新組織的重建提供積極的治療。有趣的是,自適應(yīng)傷口敷料往往具有刺激響應(yīng)性的特點(diǎn),能夠?qū)谖h(huán)境(如溫度、pH、濕度等)的變化做出“智能”反應(yīng)。正常情況下,健康皮膚的pH值呈弱酸性,不利于細(xì)菌生長(zhǎng)。急性傷口形成后,內(nèi)部組織液使皮膚的pH值升高至接近7.4,這為細(xì)菌感染提供了有利的環(huán)境。在感染過(guò)程中,細(xì)菌產(chǎn)生乳酸等多種酸性代謝產(chǎn)物,導(dǎo)致傷口環(huán)境的pH值降低。


  納米酶可以模仿天然酶的催化行為,表現(xiàn)出大量的催化活性表面原子,可以實(shí)現(xiàn)高活性的催化效果。納米酶可以響應(yīng)傷口愈合各個(gè)階段的微環(huán)境變化而發(fā)揮不同的類酶催化活性。另一方面,氣體療法因其對(duì)細(xì)胞的快速滲透性和改善微循環(huán)的能力而成為最有前途的傷口愈合手段之一,一氧化氮(NO)在抑制細(xì)菌感染、消除生物膜方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō),NO可以與ROS反應(yīng)生成過(guò)氧亞硝酸鹽(ONOO?),當(dāng)其濃度為10-6-10?9 M時(shí),可以完全根除細(xì)菌形成的生物膜。為此,他們構(gòu)建了天然NO供體精氨酸修飾的二硫化鉬基納米酶(MSPA),并將其負(fù)載在具有pH響應(yīng)和光熱響應(yīng)的甲基丙烯酰羧甲基殼聚糖-聚(N-異丙基丙烯酰胺)冷凍凝膠內(nèi)。通過(guò)控制近紅外光的照射時(shí)間,納米酶通過(guò)基于電子的帶隙跳躍光催化反應(yīng)產(chǎn)生ROS并催化精氨酸可控產(chǎn)生NO,實(shí)現(xiàn)光熱/光動(dòng)力/氣體協(xié)同抗菌治療。在傷口感染消除后,冷凍凝膠通過(guò)納米酶的自適應(yīng)特性在慢性傷口愈合的偏中性微環(huán)境發(fā)揮類超氧化物歧化酶(SOD)和類過(guò)氧化氫酶(CAT)樣活性,催化超氧自由基以及內(nèi)源性和外源性過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為水和氧氣,緩解慢性傷口過(guò)度氧化應(yīng)激。此外,基于納米酶的多重刺激響應(yīng)冷凍凝膠還具有傷口滲出液管理能力以及良好的止血特性,這拓寬了其應(yīng)用潛力。


  鑒于此,他們基于甲基丙烯酰基羧甲基殼聚糖、聚(N-異丙基丙烯酰胺)和復(fù)合納米酶(MSPA)制備了一系列具有可控NO釋放能力的多重刺激響應(yīng)冷凍凝膠用于耐藥菌感染創(chuàng)面的自適應(yīng)治療。相關(guān)研究以“Multiple Stimuli‐Responsive Nanozyme‐Based Cryogels with Controlled NO Release as Self‐Adaptive Wound Dressing for Infected Wound Healing”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院博士研究生楊雨桐和李勐博士為該論文的第一作者,郭保林教授為通訊作者。


一、冷凍凝膠的制備


  選擇甲基丙烯?s水甘油酯(GMA)對(duì)羧甲基殼聚糖(CMCS)改性,合成了雙鍵修飾的羧甲基殼聚糖。隨后采用冰晶模板技術(shù)將雙鍵修飾的羧甲基殼聚糖(CMCSG)和熱敏性聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)共聚,在低溫下形成具有大孔結(jié)構(gòu)的CMCSG/PNIPAM冷凍凝膠。同時(shí),將精氨酸修飾的二硫化鉬基納米酶(MSPA)摻入CMCSG/PNIPAM冷凍凝膠中,形成CMCSG/PNIPAM/MSPA(簡(jiǎn)稱C/N/MPA)冷凍凝膠作為自適應(yīng)納米酶和NO級(jí)聯(lián)釋放載體,并通過(guò)調(diào)控MSPA的濃度制備了一系列冷凍凝膠。 


圖1. 納米酶基冷凍凝膠的制備及自適應(yīng)治療機(jī)制


二、光熱/光動(dòng)力特性及NO釋放能力


  納米酶的負(fù)載使冷凍凝膠具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力和良好的光熱穩(wěn)定性。此外,利用不同的ROS探針?lè)謩e驗(yàn)證了體外冷凍凝膠產(chǎn)生單線態(tài)氧、超氧自由基和羥基自由基的產(chǎn)生。谷胱甘肽(GSH)是在細(xì)菌抗氧化防御系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的三肽。他們?cè)u(píng)估了冷凍凝膠在近紅外光照射下的GSH清除特性。GSH的損失隨著MSPA濃度的增加而顯著增加。其中,C/N/MPA20的GSH損失最高(約44.2%)。與陰性對(duì)照組相比,C/N/MPA10和C/N/MPA20處理后的GSH顏色幾乎變成無(wú)色,這表明GSH發(fā)生了較高程度的氧化。精氨酸作為天然的內(nèi)源性NO供體,在iNOS、NADPH和ROS的作用下,通過(guò)生化或催化反應(yīng)生成NO。用Griess試劑對(duì)C/N/MPA的NO產(chǎn)生進(jìn)行了表征。經(jīng)過(guò)近紅外照射10分鐘后,C/N/MPA10的累積NO產(chǎn)量達(dá)到5.23 μM。還通過(guò)間歇性近紅外輻射證明了NO釋放的可控性和重現(xiàn)性,交替的照射結(jié)果表明NO的釋放以觸發(fā)的形式發(fā)生。 


圖2. 冷凍凝膠的光熱/光動(dòng)力/NO釋放能力


三、細(xì)菌捕獲及體外抗菌能力


  細(xì)菌表面帶有大量的負(fù)電荷,其表面電位通常比哺乳動(dòng)物細(xì)胞更低。受益于羧甲基殼聚糖的自適應(yīng)可調(diào)質(zhì)子化效應(yīng),為冷凍凝膠的細(xì)菌捕獲提供了可能性。評(píng)估了冷凍凝膠在不同pH條件下捕獲細(xì)菌的能力。隨著pH值從7.4降低到3,C/N/MPA10對(duì)大腸桿菌(E.coli)的捕獲率從21%增加到38%,對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)的捕獲率從12%增加到27%。這些結(jié)果歸因于冷凍凝膠響應(yīng)環(huán)境pH值變化而形成的自適應(yīng)細(xì)菌捕獲能力。 


圖3.細(xì)菌捕獲、體外抗菌以及體外生物膜清除


  隨后評(píng)估了對(duì)大腸桿菌和MRSA的體外抗菌能力。近紅外照射3分鐘后,E.coli和MRSA的抑制率分別達(dá)到98.4% 和98.5%。近紅外照射5分鐘后,對(duì)兩種細(xì)菌的抑制率幾乎達(dá)到100%。采用結(jié)晶紫染色來(lái)評(píng)估C/N/MPA對(duì)MRSA生物膜的抑制作用。近紅外照射10分鐘后,C/N/MPA5和C/N/MPA10的殘留生物膜分別減少至30%和14%。


四、體內(nèi)生物膜清除


  建立體內(nèi)生物膜模型進(jìn)一步驗(yàn)證了冷凍凝膠消除體內(nèi)生物膜的能力。MRSA感染24小時(shí)后,傷口形成明顯的生物膜,表明體內(nèi)生物膜成功建立。與空白組相比,冷凍凝膠顯著抑制細(xì)菌形成的生物膜,C/N/MPA0和C/N/MPA10對(duì)生物膜的抑制率為25.7%和34.3%,這歸因于CMCS固有的抗菌作用。C/N/MPA10+NIR組對(duì)生物膜的抑制率達(dá)到約98%。使用吉姆薩染色來(lái)評(píng)估傷口部位的殘留細(xì)菌。空白組傷口處形成明顯密集的菌落,且分布較大表明傷口已形成嚴(yán)重感染。C/N/MPA0和C/N/MPA10菌落分布面積略小于空白組。對(duì)于C/N/MPA10+NIR,傷口部位幾乎沒(méi)有明顯的細(xì)菌定植。這些結(jié)果證實(shí)體內(nèi)生物膜被有效清除。 


圖4.體內(nèi)生物膜清除能力


五、MRSA感染小鼠皮膚創(chuàng)面修復(fù)


  C/N/MPA10+NIR組5天后傷口閉合率最顯著,為50.5±4.1%。相比之下,TegadermTM薄膜組、C/N/MPA0組和C/N/MPA10組的傷口閉合率分別為31±1.7%、39.8±2.6%和40.1±3.5%。治療15天后,C/N/MPA10+NIR組的創(chuàng)面幾乎完全被新皮膚覆蓋。相比之下,TegadermTM薄膜組仍有13.7±1.9%的剩余傷口面積。 


圖5.小鼠體內(nèi)感染創(chuàng)面的修復(fù)


  總而言之,他們制備了一系列用于感染創(chuàng)面治療的具有可控NO釋放的多重刺激響應(yīng)納米酶基冷凍凝膠。C/N/MPA10冷凍凝膠在經(jīng)過(guò)近紅外的輔助治療下顯示出高效的抗菌效果,并通過(guò)多重納米酶活性緩解傷口氧化應(yīng)激,加速傷口愈合,顯示出比商品敷料TegadermTM更好的傷口收縮和膠原蛋白沉積能力,在感染傷口的自適應(yīng)治療方面顯示出巨大潛力。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202214089


  作者簡(jiǎn)介:郭保林,博士,西安交通大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃入選者,陜西省杰出青年基金獲得者,愛(ài)思唯爾中國(guó)高被引學(xué)者。2011年從瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)獲得高分子材料學(xué)博士學(xué)位,師從瑞典皇家工程院院士Ann-Christine Albertsson教授。主要從事生物醫(yī)用高分子材料的研究,具體研究方向包括可降解導(dǎo)電高分子材料、多功能水凝膠、組織工程支架與再生醫(yī)學(xué)、藥物控制釋放體系、皮膚敷料、止血材料、可穿戴器件等。已經(jīng)以第一/通訊作者在Nature Reviews Chemistry, Nature Protocols, National Science Review, Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Biomaterials等國(guó)際期刊發(fā)表論文120余篇,ESI高被引論文30余篇, 單篇最高引用1200余次,SCI引用19000余次,H指數(shù)70。授權(quán)/申請(qǐng)發(fā)明專利12項(xiàng),目前主持省部級(jí)科研項(xiàng)目10項(xiàng),包括國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目4項(xiàng)。獲陜西省高等學(xué)?茖W(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)(第一完成人)和美國(guó)化學(xué)會(huì)Chemsitry of Materials Lectureship Award;任國(guó)家自然科學(xué)基金委函評(píng)專家和中國(guó)生物學(xué)會(huì)血液凈化分會(huì)委員。任 Journal of Renewable Materials (SCI 期刊)副主編,Nanomaterials、Materials編委。撰寫(xiě)英文專著1章。

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