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暨南大學劉明賢教授團隊《Bioact. Mater.》：具備抗菌止血能力的金@埃洛石/甲殼素復合水凝膠傷口敷料

2022-06-15 來源：高分子科技

大出血仍然是世界各地失血性休克和院前創傷死亡的主要原因，嚴重的創傷極易受到外部病原體的影響，引起感染性并發癥的發生，進一步影響傷口愈合過程。因此，開發多功能和高性能止血材料治療傷口出血和感染迫在眉睫。水凝膠作為創面敷料具有明顯的優勢，其生物相容性好、柔軟靈活、可生物降解，然而其止血性能和抗菌能力需要進一步提高。

近日，暨南大學劉明賢課題組根據傷口修復的要求，開發了一種以甲殼素水凝膠（chitin）為基體，以埃洛石納米管（HNTs）為增強材料和功能載體，管內負載了金納米顆粒（Au NPs），獲得了一種光熱抗菌功能水凝膠，材料同時具備優良的止血性能。該研究成果以“Gold@Halloysite Nanotubes-Chitin Composite Hydrogel with Antibacterial and Hemostatic Activity for Wound Healing”為題發表于Bioactive Materials(影響因子14.593，一區TOP)雜志上。論文第一作者是暨南大學化學與材料學院2020級碩士生趙普祥，唯一通訊作者是劉明賢教授。

Au@HNTs-chitin復合水凝膠材料的主要成分都具良好的生物相容性和生物活性，對生物體的幾乎無毒害作用。這種水凝膠集抗菌與止血兩種性能于一身，同時又保留的水凝膠材料的優點，可裁剪可彎折，能夠實現不同部位和不同類型的傷口止血和傷口修復作用。Au@HNTs-chitin復合水凝膠的制備過程及應用示意圖如圖1所示。

圖1 Au@HNTs-chitin水凝膠的制備過程和應用示意圖。

材料的制備過程是：將甲苯和乙醇的混合溶液中加入少量油酸油胺，加入HNTs和HAuCl₄。在毛細管力的作用下，Au³⁺和油酸油胺分子加載到HNTs管內，在加熱條件下被還原成Au NPs，形成Au@HNTs。為了驗證Au NPs進入到了HNTs中，進行了TEM測試，如圖2A和B。從TEM照片中可以明顯的看到，中空的HNTs內充滿了黑色的球形小顆粒，即Au NPs。圖2D的mapping結果，更證明了Au NPs填充進入了HNTs中。另外，FTIR、XRD、UV-vis等結果也證明了這一結論。

圖2 （A）HNTs和（B）（C）Au@HNTs的TEM圖片；（D）Au@HNTs的Al、Si、Au元素分析圖；（E）FTIR；（F）XRD；（G）紫外分析；（H）（I）XPS；（J）Zeta電位圖

將甲殼素堿/尿素溶液和Au@HNTs粉末攪拌混勻后，在環氧氯丙烷（ECH）的交聯作用下形成水凝膠，浸泡乙醇，使凝膠網絡收縮，結構致密。圖3A是制備過程中不同階段水凝膠的照片。對不同樣品進行了SEM測試得到了如圖3F的結果。在低倍數下可以看到，隨著Au@HNTs濃度的增加，水凝膠的孔越來越小，對應的力學強度也更強，這也對應了流變和壓縮測試的結果。在高倍數下發現，Au@HNTs穿插在甲殼素的中間，互相粘連，對甲殼素基體起到增強作用。同時，也隨著Au@HNTs濃度的增加，視野中棒狀結構更多。這證明了Au@HNTs能夠促進雜化水凝膠機械強度的增強。

圖3 （A）水凝膠制備過程的照片；水凝膠的（B）FTIR（C）XRD（D）旋轉流變（E）應力-應變曲線數據圖；（F）水凝膠在不同倍率下的SEM圖片。

為了評價Au@HNTs-chitin水凝膠的光熱效果，記錄了808 nm紅外光照射下Au@HNTs-chitin的溫度變化，如圖4所示。可以看到，pure chitin和HNTs-chitin沒有光熱效應，而Au@HNTs-chitin具有良好的光熱效應，其溫度可以升高40℃，這個效果足以殺死各種細菌和惡性腫瘤。Au@HNTs-chitin的光熱效應可以根據紅外光的開啟或關閉進行多次再現，如圖4D所示。這表明Au@HNTs-chitin的光熱效應在光熱治療過程中是穩定的和可重復的。

圖4 （A）水凝膠在不同條件下的熱像儀圖片；（B）在2.2 W/cm²功率的808 nm紅外激光照射下不同濃度水凝膠的升溫曲線；（C）10% Au@HNTs-chitin水凝膠在不同功率的808 nm激光照射下的升溫曲線；（D）在808 nm紅外激光循環照射下10% Au@HNTs-chitin水凝膠的溫度變化曲線。

為測定Au@HNTs-chitin水凝膠的止血性能，設計了小鼠肝臟止血和小鼠尾部止血兩個模型，示意圖如圖5A。對于小鼠尾部止血的實驗，四個時間段的照片如圖5B所示。可以明顯地看到，用材料對小鼠尾部傷口進行止血的組血量明顯比對照組少，而HNTs-chitin與Au@HNTs-chitin的止血效果要好于pure chitin。各個組的止血時間與失血量如圖5C所示。HNTs-chitin和Au@HNTs-chitin的止血時間都能控制在較短時間以內，但pure chitin的組的失血量相對另外兩個實驗組較多，因此，HNTs-chitin和Au@HNTs-chitin具有更好的止血效果。小鼠的肝臟止血模型也同樣證明了證明了它們優越的止血性能。其中HNTs起了關鍵性的作用，HNTs能夠使傷口血液形成血凝塊，觸發內在凝血級聯，并加速血小板的形成，達到止血的作用。因此，無論是HNTs-chitin還是Au@HNTs-chitin，其中的HNTs不僅對材料的強度起著一定的作用，也對材料賦予了良好的止血能力。

圖5 （A）小鼠止血模型示意圖；（B）小鼠尾部不同時間點出血圖片；（C）小鼠尾部止血時間和出血量柱狀圖；（D）不同敷料作用下小鼠肝臟出血圖片；（E）小鼠肝臟止血時間和出血量柱狀圖。

為了研究Au@HNTs-chitin體內抗菌效果和傷口愈合能力，制作了如圖6A所示的小鼠傷口染菌模型。為了保證對自身細胞的危害最小化，通過控制紅外激光的功率使水凝膠的溫度保持在45℃以下。圖6B是不同實驗組感染不同天數的傷口照片和金葡菌在瓊脂平板上的菌落照片。可以看到，Model組的傷口愈合速度很慢，而Au@HNTs-chitin的組傷口愈合效果明顯，第7天傷口面積僅剩20%。同時，Au@HNTs-chitin組的菌落數量明顯少于其他組。取第7天的傷口組織進行馬松染色，得到圖6F的切片。從藍色染色強度和區域可以看出，實驗組之間的膠原沉積均有明顯差異，其中，Au@HNTs-chitin組的膠原沉積密度明顯最大，與control組相似。這表表明Au@HNTs-chitin組的傷口愈合效果要明顯好過其他組。

圖6 （A）小鼠傷口感染模型示意圖；（B）小鼠傷口隨時間的變化圖片和感染12小時后傷口組織中的細菌照片；（C）不同組的傷口面積變化統計圖；（D）感染傷口組織液中細菌的OD值；（E）組織液涂板后細菌的數量統計圖；（F）感染后第7天小鼠傷口組織的馬森染色切片圖。

上述工作是在國家自然科學基金面上項目(52073121)、廣東省自然科學基金項目(2019A1515011509)；廣州市科技計劃項目(202102010117)、中央高校基本科研業務費專項資金項目(21619102) 的資助下完成的。

論文全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22002560

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（責任編輯：xu）

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