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《CEJ》：一种具有优异抗菌活性的可注射、粘合和自愈复合水凝胶伤口敷料

Title: An injectable, adhesive, and self-healable composite hydrogel wound dressing with excellent antibacterial activity

Authors:Tian Hu, Guan-Ping Wu, Huaitian Bu, Hongyan Zhang, Wei-Xiong Li, Kui Song,* Gang-Biao Jiang*

Chemical Engineering Journal( IF 16.744 )

Pub Date : 2022-07-29 ,

DOI:10.1016/j.cej.2022.138201

摘要

水凝胶作为伤口敷料引起了广泛关注，因为它们可以提供湿润的微环境以加速伤口愈合。然而，单纯的伤口物理覆盖无法满足复杂的伤口修复过程。

华南农业大学 Gang-Biao Jiang ，吉首大学第一附属医院 Kui Song （通讯作者）团队报告了一种可注射的多功能水凝胶 (CMCS-brZnO) ，它通过将梭形氧化锌纳米棒 (brZnO) 掺入羧甲基壳聚糖 (CMCS) 中合成，其中 brZnO 兼作交联剂和纳米填料。该水凝胶具有凝胶时间可控、自愈快、组织粘附性好、止血速度快等特点。此外， CMCS-brZnO 水凝胶具有优异的抗菌性能，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度 (MIC) 分别为 0.0125 和 0.025 mg mL-1 。在全层皮肤缺损实验中，水凝胶可以直接注射到不规则形状的伤口中，凝胶与伤口几何形状的良好贴合以及抗菌 Zn2+ 的缓慢和可持续释放显着促进了伤口愈合并减少了炎症反应。该研究表明具有有机 – 无机微结构的 CMCS-brZnO 水凝胶在加速伤口愈合方面具有巨大潜力。相关成果以“ An injectable, adhesive, and self-healable composite hydrogel wound dressing with excellent antibacterial activity ”为题发表在《 Chemical Engineering Journal 》上。

图文导读

图1. 可注射的 CMCS-brZnO 水凝胶伤口敷料，具有优异的抗菌活性、自愈性和粘附性。

图2. brZnO纳米棒和CMCS-brZnO水凝胶的逐步合成过程示意图。

图 3. (a) 商业氧化锌颗粒 (cZnO)、膨润土(Bt)、松香(Rs) 和 brZnO 的 FT-IR 光谱图； (b) cZnO、Bt、Rs、brZnO的XRD谱图； (c) brZnO纳米棒的尺寸分布，插图为brZnO放大20000倍的SEM图； (d) 调查 brZnO NPs 的 XPS 光谱； (e) Zn2p 的高分辨率 XPS 光谱； (f) O1s 的高分辨率 XPS 光谱。

图 4. (a) CMCS、brZnO、冻干 CMCS-cZnO 和 CMCS-brZnO 水凝胶的 FT-IR 光谱图； (b) CMCS和CMCS-brZnO-(1-3)水凝胶的XRD曲线，CMCS-brZnO-(1-3)水凝胶中的brZnO含量分别为0.075 g、0.15 g和0.3 g； (c-e) 冷冻干燥的 CMCS-brZnO-1 水凝胶 (c) 的 SEM 图像；CMCS-brZnO-2 (d) 和 CMCS-brZnO-3 (e)； (f) 初始溶液pH为7.4的CMCS-brZnO-(1-3)在不同温度下的胶凝时间； (g) CMCS-brZnO-(1-3) 在 37°C 在各种初始溶液 pH 值下的胶凝时间。

图 5. (a-c) CMCS-brZnO-(1-3) 水凝胶的 TG 和相应的 DTG 曲线； (d) CMCS、brZnO和CMCS-brZnO水凝胶的DSC曲线； (e) CMCS-brZnO-(1-3) 水凝胶在 PBS7.4 溶液中的溶胀行为比较； (f) CMCS-brZnO-2 水凝胶在不同 pH 溶液中的溶胀行为； (g) CMCS-brZnO-(1-3) 水凝胶在 PBS 7.4 溶液中的降解行为； (h) CMCS-brZnO-2 水凝胶在不同 pH 条件下的降解行为。

图 6. (a) (i) CMCS-brZnO-1、(ii) CMCS-brZnO-2 和 (iii) CMCS-brZnO-3 水凝胶在 10 rad/s 角频率下的应变扫描，储能模量（G’）和损耗模量（G”）表示断裂应变； (b) G’ 和 G” 在 1% 的固定应变下作为角频率的函数的发展； (c) 粘度随剪切速率的变化，(c) 中的插图描绘了注入的 CMCS-brZnO 水凝胶的可注射性和外观； (d) 水凝胶的温度扫描 (i) CMCS-brZnO-1，(ii) CMCS-brZnO-2 和 (iii) CMCS-brZnO-3。

图 7. CMCS-brZnO水凝胶的自愈行为和粘合行为。

图 8. CMCS-brZnO水凝胶的生物相容性。

图 9. CMCS-brZnO-2水凝胶的止血性能。

图 10. CMCS-brZnO-2水凝胶的抗菌性能。

小结

综上所述，以松香为封端剂和分散剂，采用水热法制备梭形氧化锌（ brZnO ）纳米棒，然后以 brZnO 纳米棒为交联剂和纳米填料与 CMCS 相互作用，制备多功能水凝胶。开发的 CMCS-brZnO 水凝胶具有可控的凝胶时间和吸引人的特性，包括自愈和注射能力。最佳的 CMCS-brZnO-2 水凝胶对模型皮肤具有出色的粘附力，粘附强度为 45 kPa 。水凝胶在低于 3 mg mL-1 的浓度下显示出良好的细胞和血液生物相容性。此外， CMCS-brZnO-2 水凝胶对大肠杆菌（ 0.0125 mg mL-1 ）和金黄色葡萄球菌（ 0.025 mg mL-1 ）的最低抑菌浓度（ MIC ）低，表现出优异的抗菌性能。在全层皮肤缺损实验中，水凝胶可以直接注射到不规则形状的伤口中，并与可变的伤口几何形状很好地吻合，同时显示出缓慢且可持续的抗菌 Zn2+ 释放，显着促进伤口愈合并减少炎症反应。这些吸引人的特性赋予了 CMCS-brZnO 水凝胶巨大的临床应用潜力，并为开发基于水凝胶的伤口敷料提供了新的思路。

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