水凝膠醫用敷料的研究進展

樊夢妮,陳曉蕾,陳俊鵬,楊 超,蔡曉軍

(南京工業大學 材料科學與工程學院,江蘇 南京 211800)

1 創面敷料概述

廣義的創面是指由機械、物理、化學或生物等因素引起的皮膚破損或缺陷,根據創面愈合時間的長短,可將其分為急性傷口和慢性傷口[1-2]。急性傷口是突然形成且愈合較快的傷口,包括:淺層皮外傷口、急性放射性損傷傷口等。慢性傷口是指由因各種原因如靜脈功能不全、周圍血管性疾病、全身性疾病、外傷瘢痕和感染等導致的皮膚組織損傷,且經一個月以上的治療也無愈合傾向,主要有:靜脈性潰瘍、動脈性潰瘍等。創面愈合是一個復雜的動態過程,包括:止血、炎癥、血管新生、上皮化、肉芽組織形成、細胞外間質沉積和組織重塑[2-3]。

創面敷料作為暫時性皮膚替代物[4],在創面愈合中扮演著重要角色。傳統敷料如紗布、棉墊和繃帶等,雖具有止血、吸收傷口滲出液、保護創面免受細菌感染等作用,但不具備主動抗菌抗炎功能,且可能引起滲漏和黏連結痂,甚至可阻礙傷口愈合進程。隨著對創面愈合的深入研究,對創面敷料的功能也提出了更多要求。理想的傷口敷料應具備以下特征:①為傷口提供濕潤的愈合環境,良好的透氣性和機械保護作用;②可吸收傷口滲出物,保護傷口免受污染和細菌感染,減少傷口表面壞死,可刺激生長因子的增長;③良好的生物相容性,生物可降解性,易于無痛去除和更換。

水凝膠是可溶于水的親水性高分子材料,可通過物理或化學交聯作用，形成具有三維網絡結構功能,具有含水量高、生物相容性好等優點。水凝膠敷料作為新興的功能創面敷料,相較于傳統敷料,可保持創面濕潤，并持續吸收創面滲出物,部分由殼聚糖、多肽類等制備得到的水凝膠可被及時降解，以避免更換敷料時造成二次損傷。更重要的是,可通過結構設計和功能整合，賦予水凝膠敷料多種優異性能,進而在創面愈合的各個過程中發揮重要作用。如：具有止血功能的水凝膠可牢牢黏附于傷口處,封堵止血且促進凝血?？咕z可利用自身的抗菌性能,或通過負載納米抗菌材料或抗生素來實現高效抗菌?？寡姿z可通過可控負載和智能釋放生長因子或抗炎藥物來緩解炎癥反應。促組織再生水凝膠同樣可通過可控負載和智能釋放小分子藥物、生長因子或細胞因子來促進血管化、肉芽組織再生及創面上皮化。此外,抗凍耐熱水凝膠和電子皮膚等先進功能敷料,也可在極端條件下作為敷料用于加速創面愈合?；诖?本文系統綜述了功能化水凝膠在創面形成至創面愈合的一系列復雜動態過程中所發揮的重要作用(止血、抗菌、抗炎和促組織再生)及其作用機制。

2 功能化水凝膠敷料

皮膚組織一旦發生損傷,其修復過程會非常復雜,包括需相互作用的4個典型階段:止血、炎癥、增殖和重塑。大部分皮膚缺損可在1～2周內有效愈合,但大面積全厚層創面的愈合通常面臨著諸多問題,包括:創面難以止血,傷口易被感染并引發持續發炎,組織再生困難等。根據皮膚愈合各個階段所面臨的主要問題,詳細介紹了功能化水凝膠在快速止血、抗菌、抗炎及促組織再生方面的相關研究現狀,以及在超低溫和超高溫條件下,傷口愈合所需的一些先進功能敷料的最新研究現狀。

2.1 可快速止血的水凝膠敷料

快速止血是創面愈合的首要環節。嚴重出血的傷口組織若在短時間內流血量達到全身血液容量的30%或更多,將會危及生命,但事實上,若在30 min內有效止住,40%以上的死亡是可以避免的。水凝膠因具有良好的生物相容性、組織黏附性以及可覆蓋不規則傷口的性能,已成為創面傷口快速止血的良好選材。水凝膠止血敷料可牢牢黏附于傷口表面,阻止傷口出血滲漏,并可作為避免細菌感染的重要屏障。

早期的止血水凝膠材料,結構都比較簡單,功能也比較單一。例如：最早使用的海藻酸鹽材料,利用其比自身體積大10倍的吸收量而被作為止血材料廣泛使用,但是對于傷口愈合卻無其他有效功能。后來,向從動物中分離得到的膠原蛋白中添加細胞因子,使其不僅具有止血功能,也一定程度上具有了促進傷口愈合的效果。如今,隨著對各種材料的深入研究后發現,很多原材料由于具有某些容易改變的基團結構,而能作為某些反應中基團的載體。

Liang等[5]以透明質酸-多巴胺(HA-DA)和聚多巴胺包覆的還原性氧化石墨烯(rGO@PDA)為原料,制備了具有抗氧化活性、導電性、黏附性和快速止血效果的多功能水凝膠(HA-DA/rGO@PDA)。聚多巴胺(PDA)賦予了水凝膠優異的抗氧化活性、導電性、自愈性和體內抗菌活性,且多巴胺(DA)和PDA上的鄰苯二酚和醌基團與蛋白質上氨基和硫醇基間的相互作用，進一步賦予了水凝膠良好的組織黏附性,故在小鼠肝出血動物模型實驗中表現出了良好的止血性能。

除了對于材料功能的改善,對于不同條件下可以觸發新材料的形成以及材料結構的改善也是研究的熱點。Hong等[6]以甲基丙烯酸甲酯修飾的明膠(GelMA)和鄰硝基芐基類光扳機分子(NB)修飾的透明質酸(HA-NB)為原料,制備了力學性能和濕性組織黏附性能優異,且能快速止血的Matrix Gel水凝膠。Matrix Gel的合成利用了紫外線光觸成膠機制:光照使GelMA上的雙鍵自交聯,同時HA-NB上的光生醛基還能與GelMA上的氨基進一步交聯,共同構筑成Matrix Gel的雙網絡結構,顯著增強了水凝膠的力學性能,也同時實現了快速封堵和長效抵抗流體沖擊的作用。此外,光生醛基與組織界面發生的席夫堿反應還可賦予Matrix Gel良好的濕性組織黏附性能,可抵抗290 mm Hg柱的爆破壓力,遠高于常規收縮血壓(120 mm Hg柱),因此Matrix Gel可在動脈血壓下快速黏附于傷口處并迅速止血,對于豬頸動脈處損傷達4～5 mm的傷口,Matrix Gel可在20 s內完全封閉傷口,并在術后無滲血情況發生。

2.2 可抗菌水凝膠敷料

創面如果發生感染,就會引起傷口化膿,延長愈合時間,嚴重的甚至會引起膿毒血癥,危及生命健康,因此對傷口敷料的抗菌抑菌性能提出了重要要求。

按照抗菌機制的不同,系統介紹了以殼聚糖及其衍生物為代表的多糖類抗菌劑,以納米銀、納米ZnO等為代表的無機納米粒子抗菌劑,以及其他抗菌劑中具有多種功能的抗菌水凝膠敷料。

2.2.1 殼聚糖及其衍生物抗菌水凝膠敷料

殼聚糖(Chitosan)又稱殼多糖、幾丁聚糖,化學名稱為聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖[7],是甲殼素的脫乙?；a物,源于植物、真菌的細胞壁和節肢動物的外骨骼等,是迄今為止發現的自然界中唯一大量存在的堿性多糖,為白色粉末或片狀固體。Chitosan的抗菌機制有[7]:①Chitosan中帶有正電荷的氨基與細菌表面帶有負電荷的蛋白或磷脂發生靜電作用,從而破壞細菌表面結構;②Chitosan穿過細胞壁和細胞膜進入細菌內部,與DNA結合阻止細菌DNA轉錄;③Chitosan與金屬離子螯合,阻止微量元素的攝取以及與細菌生長所必需的營養物質結合。

隨著研究的深入,科學家們發現：微生物的代謝活動及酶促生化反應往往在水中進行,Chitosan微溶于水的特性，大大減少了其在水中與微生物的相互接觸,因而導致其抗菌活性有限[8]。通過化學改性可制備水溶性Chitosan衍生物,改性后的Chitosan分子內氫鍵作用被抑制,分子鏈與水分子間的相互作用增強,水溶性增強,進而可顯著提高Chitosan與細菌的接觸,并增強抗菌活性。常用的改性策略有:①利用Chitosan分子中的氨基、羥基與鹵代烷發生親核反應制備烷基化衍生物[9];②與鹵代烷酸或乙醛酸反應制備羧基化衍生物;③引入季銨鹽得到季銨化衍生物。

Wahid等[10]以細菌纖維素和Chitosan為原料,以戊二醛為交聯劑,制備了Chitosan和細菌纖維素半互穿網絡水凝膠。該水凝膠的熱穩定性優于細菌纖維素薄膜和Chitosan水凝膠,且對革蘭氏陽性菌、陰性菌均具有良好的抑制作用。細菌纖維素與Chitosan的含量比可影響抗菌效果,當二者含量比為1∶ 5時,抑菌率可高達88%。

Gan等[11]基于貽貝黏附化學機制制備了具有接觸增強的抗菌水凝膠,作用原理是基于雙鍵化多巴胺(MADA)可增強水凝膠與細菌的接觸,從而使水凝膠中的抗菌聚合物季銨化殼聚糖(QCS)和甲基丙烯酸2-(二甲基氨基)乙酯(DMAEMA)能更有效地殺死細菌。動物實驗結果表明:該水凝膠還具有促組織再生和防止細菌感染的雙重功能,非常適合作為傷口敷料，以促進傷口愈合并保護傷口免受細菌感染。Zhao等[12]以季銨化殼聚糖-g-聚苯胺(QCSP)和苯甲醛基功能化的聚乙二醇-聚癸二酸甘油共聚物(PEGS-FA)為原料,制備了具有自愈性、抗菌性、導電性及生物相容性良好的復合水凝膠。水凝膠中的QCSP具有電活性、抗菌活性、抗氧化性及止血性能,其與體積分數為1.5%PEGS-FA所組成的水凝膠具有優異的凝血性能。此外,基于Chitosan自身的促創面愈合活性，以及聚苯胺片段的電活性、抗氧化性的多重協同作用,可顯著促進全皮層缺損傷口的快速愈合。Huang等[13]通過親核取代反應制備了磺化殼聚糖(SCS)(圖1),研究發現:與未改性的殼聚糖鹽酸鹽(WSC)相比,相同濃度的SCS能更顯著地降低大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生物膜內胞外多糖的分泌和代謝活性,進而高效抑制細菌生物膜的形成。

圖1 親核取代反應制備的磺化殼聚糖SCS[13]Fig.1 Sulfonated chitosan SCS prepared by nucleophilic substitution reaction[13]

2.2.2 納米材料基抗菌水凝膠敷料

1)納米銀水凝膠敷料

銀作為抗菌材料的應用可以追溯到20世紀60年代,科學家們研發了基于銀銅的電離作用對水系統進行凈化的裝置。此后,20世紀80年代,日本研制出的載銀沸石抗菌劑應對應大腸桿菌的爆發。進入21世紀,通過對銀抗菌的不斷深入研究,研發出的不同粒徑的納米銀抗菌劑,被廣泛應用到了不同領域。

納米銀具有廣譜抗菌活性,作為抗菌劑已得到廣泛應用,其作用機制在于能破壞細胞膜結構、阻斷細菌DNA轉錄以及產生活性氧誘導細胞凋亡[14]。納米銀水凝膠的合成主要有2種方式:①將AgNO3或 C2H3AgO2等化合物在水凝膠基質中原位還原得到納米銀;②水凝膠吸附納米銀懸濁液。納米銀與水凝膠的良好結合使敷料與傷口接觸后能持續釋放Ag+,從而實現長效抗菌。

Niu等[15]以原位合成的納米銀與聚乙二醇修飾的甲基丙烯酸甲酯為原料，制備了可注射的納米銀雜化水凝膠。該水凝膠具有良好的抗金黃色葡萄球菌和大腸桿菌性能。Kim等[16]制備了含納米Ag2O的可注射甲基纖維素水凝膠,其中醋酸銀前驅體提供的Ag+可在水凝膠基質中原位合成納米Ag2O,而剩余的CH3COO-可通過鹽析效應，降低水凝膠的凝膠化溫度。燒傷創面實驗結果表明：含納米銀的甲基纖維素水凝膠具有良好的抗菌性和加速創面愈合能力。Li等[17]在由木質素磺酸鈉和聚乙烯醇交聯而成的水凝膠基質中原位合成了納米銀,制備出含納米銀的抗菌水凝膠。木質素和納米銀的抗菌作用相輔相成,顯著增強了水凝膠的抗菌性能。Liu等[18]在羧基化的纖維素納米纖維(CNF)中同時引入了氨基化納米銀(Ag-NH2NPs)和明膠,制備出復合型水凝膠。該研究發現:負載0.5 mg/mL納米銀的水凝膠敷料具有較強的機械性能、自愈性能、抗菌性能及止血性能。此外,體內外傷口模型中,受感染細胞的活性為100%,且傷口愈合率高達90%,并具有良好的生物相容性和優異的創面愈合效果。

2)納米氧化鋅(ZnO)水凝膠敷料

ZnO比表面積較大,表面帶有大量正電荷,可與細菌膜相互作用,從而破壞細菌膜的完整性。納米ZnO在水中釋放的Zn+可進入菌體中破壞其蛋白酶結構。紫外線照射納米ZnO所產生的活性氧可氧化菌體內的有機物[19]。相較于其他納米氧化物,ZnO具有理化性質穩定、安全無毒以及生物相容性好等優點,因而有著廣泛的應用前景。

Namazi等[20]將納米ZnO加入溶脹的氧化淀粉水凝膠中,制備出納米復合水凝膠,ZnO的加入可影響該水凝膠在不同pH和不同鹽溶液中的溶脹行為,且該水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有良好的抗菌效果。物理包裹雖然簡單,但是存在著材料負載量有限、釋放時間短等問題。因此,科學家開始探究化學合成的方法。Rakhshaei等[21]通過原位合成納米ZnO,制備了ZnO均勻分布的殼聚糖-明膠/ZnO復合支架。相較于物理混合的納米ZnO,原位合成的納米ZnO具有更高的抗菌活性和更低的細胞毒性。Abdeen等[22]以戊二醛為交聯劑,制備了殼聚糖/聚乙烯醇/ZnO復合支架,該支架的抗菌性能優于紅霉素和甲硝唑,且隨著ZnO含量的增加，該水凝膠的抑菌活性也顯著增強。隨著研究的深入,為了使材料的功能達到最大化,很多研究者發現了納米ZnO和其他抗菌粒子的協同作用[8-9]。Mao等[23]通過紫外光化學還原法在水凝膠中組裝Ag/Ag@AgCl,再通過沉淀法摻入納米ZnO,制備了Ag/Ag@AgCl/ZnO復合水凝膠。Ag/Ag@AgCl可利用可見光增強ZnO的活性氧種類,進而提高ZnO的光催化和抗菌活性。在模擬可見光照射20 min后,該水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率分別達到95.95%和98.49%,可應用于傷口快速消毒。體內實驗結果表明：復合水凝膠中釋放的Ag+和Zn2+可引起機體免疫反應,從而產生大量白細胞和中性粒細胞。免疫細胞與納米材料發揮協同抗菌作用,繼而顯著促進傷口愈合。

3)納米氟化鈣(CaF2)水凝膠敷料

CaF2是一種鈣基無機材料,具有良好的生物相容性和抗菌活性[23]。F-可通過抑制糖酵解酶烯醇化,干擾細菌代謝,從而減少細菌細胞攝取糖,進一步抑制糖酵解過程。Shin等[24]采用原位沉淀法制備了含納米CaF2的可注射海藻酸鈉水凝膠。菌落形成實驗表明:該水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑制作用。水凝膠中F-的釋放量與水凝膠中CaF2的含量成正比,釋放出的F-可促進成纖維細胞增殖。全層傷口模型實驗結果表明:該水凝膠有效促進了細胞外基質的沉積,加速了創面愈合。Jeong等[25]采用原位沉淀法將納米CaF2均勻地包埋于質酸(HA)水凝膠中,制備了具有抗菌活性的水凝膠敷料。調控CaCl2和NH4F的濃度和沉淀時間發現,沉淀時間越短,F-的釋放速度越快,沉淀10 min樣品的F-釋放速率要大于沉淀時間分別為30 min和1 h的樣品。菌落測試表明：該水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抗菌效果。此外,觀察大鼠的全層傷口愈合情況時發現：CaF2水凝膠與純水凝膠相比更有利于加速傷口愈合。

2.2.3 其他抗菌水凝膠敷料

Wang等[26]在ε-聚賴氨酸體系(EPL)中引入多巴胺,獲得了與天然貽貝足絲蛋白組成接近的純蛋白衍生物(PPD)聚合物,并利用辣根過氧化物酶(HRP)原位催化制備了可注射水凝膠(PPD-E)。該水凝膠中,EPL作為一種固有的抗菌材料,表現出固有的抗菌特性,而不需要加入外源性抗生素。EPL對革蘭氏陰性菌(如大腸桿菌)和革蘭氏陽性菌(如金黃色葡萄球菌)均具有廣譜抗菌活性(圖2)。同時,相比于其他水凝膠,由于鄰苯二酚和賴氨酸的協同作用，它又表現出濕性黏附性能、較快的傷口封堵止血和皮膚修復性能。Xi等[27]制備了基于天然抗生素(蘆薈大黃素)和碳點的復合水凝膠,該水凝膠可先利用近紅外光產生的熱量和活性氧,在短時間內迅速抑制細菌生長,且停止光照后還能持續釋放蘆薈大黃素以實現長效抗菌。體內實驗結果表明：上述兩種機制的交替作用可顯著抑制金色葡萄球菌的生長。

圖2 具有抗菌特性的可注射水凝膠[26]Fig.2 An injectable hydrogel with antimicrobial properties[26]

Han等[28]采用自由基聚合法將苯乙烯、聚己內酯-甲基丙烯酸羥乙酯和聚六亞甲基胍-甲基丙烯酸酯等單體聚合,合成了具有持久抗菌活性和防細菌黏附的納米凝膠,其中的抗菌成分可破壞細胞膜并引起細胞裂解,且大分子鏈上的抗菌鹽酸胍鏈段和疏水性聚己內酯分子鏈可防止細菌黏附。此外,納米凝膠接枝的棉織物具有較強的疏水性和較高的抑菌率,可有效防止細菌黏附,該棉織物經50次清洗后,對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性依然高達86%。

2.3 可抗炎的水凝膠敷料

傷口愈合初期,局部傷口會出現不同程度的組織壞死和血管破裂等現象,進而容易受到外來微生物的感染,數小時內便出現炎癥反應,表現為充血、漿液滲出及白細胞游擊。在皮膚受損初期,白細胞以中性粒細胞為主,它們的吞噬能力和分泌的蛋白酶能夠殺死局部細菌,并有助于清理壞死組織。皮膚損傷3 d后,白細胞以巨噬細胞為主[3,28]。巨噬細胞是主要的炎癥細胞,在炎癥反應中扮演著一系列關鍵作用[28]:①在炎癥期,巨噬細胞能識別并清除壞死組織、細胞碎片和病原體,清理創面;②在炎癥期向增殖期的過渡階段,巨噬細胞表型轉化為M2型,M2細胞可通過分泌PDGF、EGF、TGF-α、TGF-β、IL-1等生長因子來促進成纖維細胞增殖和新生血管形成,進而促進肉芽組織形成。此外,值得注意的是,病原體和異物刺激的持續存在,將導致巨噬細胞的過度激活并分泌大量炎性因子,如白介素1、白介素6和腫瘤壞死因子α,這些因子的長久且大量存在可加重組織損傷和延緩傷口愈合。目前主要有兩種思路用于制備抗炎水凝膠敷料:①利用水凝膠網絡結構中的多肽物質來促進M1型巨噬細胞向M2表型極化,由促炎作用過渡到抑制炎癥,減輕炎癥的同時促進組織修復;②通過負載和緩釋抗炎藥物來緩解炎癥反應。

Chen等[29]以層黏連蛋白為原料制備了Chitosan與SIKVAV(氨基酸序列:絲氨酸-異亮氨酸-賴氨酸-纈氨酸-丙氨酸-纈氨酸)的多肽復合水凝膠。Chen等[29]用CD86標記M1巨噬細胞,用CD163標記M2巨噬細胞,對皮膚炎癥的實驗結果表明：經過多肽修飾的殼聚糖確實具有明顯的抗炎效果。

Zhang等[30]以Chitosan和脂質信號分子前列腺素E2(PEG2)為原料,制備了可抗炎、可重塑和可促組織再生的復合水凝膠,并采用生物發光成像(BLI)技術實時監測了創傷愈合過程中受傷部位的炎癥反應和血管生成過程(圖3)。Chitosan水凝膠可延長PGE2的釋放,進而提高了其促血管生成和組織再生能力。BLI結果顯示：PGE2的長期釋放可促進巨噬細胞向M2表型極化并進一步降低炎癥反應。Reinke等[31]分別制備了主體大分子β-環糊精-殼聚糖(CS-CD)和客體大分子葡聚糖-布洛芬(Dex-Ibu),通過β-CD和布洛芬之間的主客體相互作用,制備了具有雙重抗炎效應的超分子水凝膠。一方面,水凝膠在含有酯酶的溶液中解組裝,快速釋放抗炎藥物布洛芬,抑制促炎因子TNF-α的分泌,減輕炎癥反應。另一方面,Chitosan具有良好的抗菌活性?？咕鷮嶒灲Y果表明:該超分子水凝膠能顯著抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長,進而有效降低炎癥反應。

圖3 可抗炎、可重塑和可促組織再生的復合CS+PEG2水凝膠[30]Fig.3 Composite CS+PEG2 hydrogel with anti-inflammatory, remodeling and tissue regeneration properties[30]

2.4 促組織再生水凝膠敷料

促組織再生水凝膠可通過可控負載和智能釋放小分子藥物或蛋白來促進創面愈合[32]。小分子藥物主要有抗生素、抗炎藥物等;蛋白包括以生長因子為代表的各類細胞因子,如血管內皮生長因子VEGF、成纖維細胞生長因子7(FGF7)和凝血因子III(F3)等。此外,利用各種細胞因子或細胞外基質修飾的水凝膠亦可通過激活重要的級聯反應來加速創面愈合。

Moore等[32]制備了一種含有氨基酸序列K2(SL)6K2的納米纖維(MDP)水凝膠。將MDP植入大鼠的皮下背部組織時，可被宿主細胞迅速浸潤,引起暫時性炎癥反應,并刺激細胞分泌大量細胞因子,進而促進細胞招募、血管生成、神經支配,且伴隨水凝膠的緩慢降解而能被健康組織所替代。MDP水凝膠以結構和化學性質簡單的多肽為基礎,為促創面愈合的多肽基水凝膠敷料的制備提供了重要思路,有望在糖尿病潰瘍的傷口愈合中發揮重要作用。Xi等[33]以細菌納米纖維素和丙烯酸為原料制備了納米纖維素復合水凝膠,并研究了該復合水凝膠在細胞水平和分子水平上對成纖維細胞的影響。細胞水平上,成纖維細胞可快速黏附于水凝膠上并保持一定的形態和活性,細胞遷移受到限制并在水凝膠基質上持續增殖;分子水平上,該復合水凝膠可上調8個創傷愈合基因(IL6、IL10、MMP2、CTSK、FGF7、GM-CSF、TGFB1和COX2)的表達,同時下調凝血因子Ⅲ(F3)的表達,進而顯著促進了創面愈合。

Huang等[34]以羧甲基殼聚糖(CMC)和醛基修飾的納米纖維素(DACNC)為原料,制備了可注射的自愈型復合水凝膠(CMC/DACNC)。該水凝膠網絡中含有的大量活性交聯點易于斷裂和重塑,進而使水凝膠可在短時間內自愈。細胞實驗結果表明：該水凝膠具有良好的生物相容性,可作為細胞外基質為細胞的三維培養提供良好的支撐作用，并加速創面愈合。更為重要的是,該水凝膠可在氨基酸溶液中快速降解,進而可為創面敷料的無痛去除提供便利(圖4)。

圖4 可注射的自愈型復合水凝膠(CMC/DACNC)[34]Fig.4 Injectable self-healing composite hydrogel (CMC/DACNC)[34]

Mao等[35]利用PEG與杧果苷脂質體之間的動態配位作用,制備了可注射、抗缺氧和促傷口愈合的多功能水凝膠(MF-Lip@PEG)。該水凝膠可通過影響Bax/Bcl-2/caspase-3等蛋白酶的表達途徑,避免由缺氧誘導的細胞凋亡。隨機皮瓣動物模型實驗表明：該水凝膠注射方便,且具有良好的抗炎、抗感染、預血管化作用,并可顯著降低皮瓣壞死率和有效促進皮瓣再生。Park等[36]制備了含生物活性分子SP和生長因子TGF-β1的Chitosan微粒Pluronicf F127(CSMP-PF)水凝膠。該水凝膠可在組織再生早期釋放SP,在后期釋放TGF-β1,進而可維持傷口處生物活性分子的局部濃度不變。值得注意的是,CSMP-PF水凝膠可修復由局部電離輻射導致的皮膚損傷,其中SP可通過增加肌成纖維細胞的數量,促進血管生成和細胞外間質沉積來促進組織再生,TGF-β1可通過調節細胞增殖、遷移、分化來加速傷口愈合。

2.5 多功能水凝膠敷料

如今,隨著研究的深入進行,對于水凝膠敷料的需求也是越來越高,不同的創面可能具有不同的需求。其中,具有殺菌和促進傷口愈合功能的水凝膠更是研究的重點,因此,本節將水凝膠敷料的應用主要著眼于以下兩個方面[36]:①用于傷口治療,包括利用水凝膠敷料的抗菌活性來防止細菌感染，利用水凝膠的抗炎活性來緩解傷口處炎癥反應，以及利用水凝膠的機械彈性來為傷口提供一定的保護作用;②用于傷口愈合,包括促進上皮形成、膠原形成和血管生成,以及促進皮膚再生。

Wang等[37]以Pluronic F127、氧化透明質酸(OHA)和聚賴氨酸(EPL)為原料,通過OHA醛基與EPL氨基間的吸附堿反應制備了FHE水凝膠,并進一步負載了來源于脂肪間充質干細胞的外泌體(AMSCs-exo),獲得了可注射、自愈合、抗菌并可緩釋AMSCs-exo的復合水凝膠FHE@exo。該水凝膠中的OHA提供了濕潤的愈合環境和良好的生物相容性,EPL提供了抗菌活性和黏附能力,且OHA和EPL間的動態吸附堿鍵賦予了水凝膠優異的自愈性能。值得注意的是,AMSCs-exo是MSCs分泌的小生物膜囊泡,可通過傳遞細胞間信息來促進細胞增殖、血管增生和免疫調節。體外實驗表明：FHE@exo水凝膠可有效促進人臍靜脈內皮細胞增殖、遷移和血管形成;體內實驗表明：FHE@exo水凝膠可加速糖尿病全層皮膚創面愈合,包括加速創面愈合、血管生成以及再上皮化和膠原沉積。Tian等[38]將乙二胺四乙酸(EDTA)-Fe3+復合物與HA交聯,制備了具有抗菌和快速自愈性能的Ha-Fe-EDTA水凝膠。細菌分泌的透明質酸酶可導致水凝膠局部降解并緩釋出具有抗菌活性的Fe3+,而Fe3+與—COOH之間的協同作用還能促使水凝膠在磨損后迅速自修復(圖5)。體外小鼠皮膚傷口模型實驗表明該水凝膠可抑制金黃色葡萄球菌和微生物感染,并能在短時間內促創面皮膚再生。Wang等[39]通過光引發自由基共聚反應,制備了由丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)和1-乙烯基-1,2,4三唑(VTZ)通過二元共聚得到的PNAGA-PVZT水凝膠。PNAGA-PVZT集抗菌、抗炎、自修復和熱塑性能于一體。動態氫鍵作用賦予了該水凝膠優異的自修復性能、再加工性和可循環性;VTZ使該水凝膠具備了抗菌、抗炎特性。該水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有顯著的抑制作用,且同時還能顯著降低水凝膠皮下植入引起的炎癥反應,因而具有良好的組織相容性。

圖5 HA-Fe-EDTA水凝膠抗菌機制示意[38]Fig.5 Schematic diagram of the antibacterial mechanism of Ha-Fe-EDTA hydrogel[38]

3 先進功能敷料

3.1 抗凍耐熱水凝膠

水凝膠敷料的實用性與水凝膠的類固體力學行為和類水輸送特性密切相關[39]。含有較多親水基團且吸水率較高的普通水凝膠在冰點以下時極易結冰,變得脆弱、堅硬且導電性差;高溫時水凝膠中的水分子無法被穩定地固定在聚合物網絡中,水凝膠脫水變干。具有抗凍、耐熱的水凝膠可在低溫和高溫下正常使用,拓寬了水凝膠敷料的應用范圍。

Han等[40]將丙烯酰胺、丙烯酸單體在甘油-水混合溶液中進行紫外光聚合,制備了醇/水混合凝膠;再將聚多巴胺修飾的碳納米管復合進水凝膠網絡,制備了抗凍、耐熱、導電和自黏附水凝膠(PDA-CNT)(圖6)。該水凝膠作為柔性自黏附電極可在低溫和高溫環境中用于生物信號的檢測。在-20 ℃低溫條件下放置1 d,該水凝膠仍可穩定地監測心電信號。

圖6 抗凍、耐熱、導電和自黏附水凝膠[40]Fig.6 Freeze-resistant, heat-resistant, conductive and self-adhesive hydrogels[40]

Morelle等[41]通過向聚丙烯酰胺-海藻酸鈉雙網絡水凝膠中添加CaCl2,制備了在-57 ℃條件下仍具有良好抗凍性能、較高力學強度和導電性的復合水凝膠。該水凝膠的斷裂性能在低溫狀態下高于常溫水狀態時,其增韌機制包括裂紋釘扎、裂紋偏轉和微空化等。該水凝膠還可作為離子導體與介電彈性體結合用于在低溫下可拉伸的離子觸摸傳感器。Zhang等[42]將棉短絨纖維素溶解于無機鹽(ZnCl2/CaCl2)體系中,并利用纖維素與金屬離子Zn2+和Ca2+配位作用制備了高溫下可逆、抗凍的纖維素水凝膠。溫度超過60 ℃時,溶膠態的水凝膠可在冷卻后變為固態,熱可逆性使溶膠注入不同模具后可形成形狀各異的水凝膠。含鹽水化合物的纖維素水凝膠在室溫(25 ℃)和室外溫度零下環境(-10 ℃)時水凝膠被打結變形而不發生脆性斷裂,體現了纖維素水凝膠的抗凍性和可塑性。更重要的是,所得到的纖維素水凝膠在低至-70 ℃的溫度下仍可保持良好的延展性、柔韌性和導電性,拓寬了其作為抗凍材料的應用范圍。

3.2 電子皮膚凝膠

電子皮膚是一種新型的可穿戴柔性仿生觸覺傳感器,具有結構簡單、可加工性好等優點,其空間分辨率可達到毫米級,接近于人類皮膚,可通過接觸檢測出被測物體的硬度、溫度、表面形貌和質量等[33]。電子皮膚貼在皮膚上后可通過實時監測脈搏、心跳、體溫等生理指標來反映人體健康數據變化,從而實現疾病的前期預防和診斷。導電水凝膠因具有與天然軟組織/細胞外基質相似的結構,良好的生物相容性、導電性和機械強度高等優點,被視為電子皮膚的良好選材。此外,負載藥物的電子皮膚還可通過緩釋抗菌、抗炎藥物來加速創面愈合和修復過程[43]。

Gan等[44]通過紫外光聚合法合成了聚丙烯酰胺/殼聚糖水凝膠,再以Chitosan為模板將導電聚合物聚吡咯吸附固定于水凝膠上，并使其原位氧化聚合,制備了導電、超強韌性、生物相容性良好的多功能水凝膠。該水凝膠可作為藥物控釋系統通過刺激電壓控制釋放速率。藥物從水凝膠中提取的釋放是由于聚吡咯的氧化還原反應。在氧化聚合過程中,游離陰離子藥物可以作為摻雜劑分子加入聚吡咯骨架中。當聚吡咯被電化學還原為負電位時,由于聚合物骨架的正電荷狀態發生改變,從而釋放出陰離子藥物，以達到可控釋放抗炎藥物地塞米松的作用。大鼠全層皮膚缺損模型實驗表明：該水凝膠可促進創面愈合和傷口修復。更重要的是,該水凝膠還可作為電子皮膚實時監測人體運動,以及作為應力傳感器檢測負荷。

Lei等[45]通過調控高分子間的非共價鍵相互作用，設計和制備了具有壓縮回彈性、自修復和室溫下可任意塑形的超分子聚電解質水凝膠。該水凝膠外形透明并有類似皮膚的力學性能,以及感知溫度、應變和壓力變化的感官能力,可作為智能仿生材料來模擬皮膚的一系列功能。將其貼在塑料假肢手指上時,假肢手指可通過電容和電阻信號來分別感知外界應變和溫度刺激,進而模擬人體皮膚的機械和溫度感受器,并根據變形過程中的電容變化來監測手指的彎曲伸直運動(圖7)。

圖7 仿生皮膚在應變、溫度傳感和自愈方面的應用[45]Fig.7 The applications of bionic skin in strain, temperature sensing and self-healing[45]

Zhang等[46]受到皮膚的分層結構啟發,在由疏水締合作用交聯而成的導電水凝膠表面原位聚合，制備出了具有雙層結構的可伸縮超耐磨水凝膠應變傳感器。該水凝膠可作為一種靈敏的、可穿戴的應變傳感器,可用于檢測大范圍的人體運動和微小的生理信號。此外,外層黏合劑賦予了該水凝膠對皮膚強有力的黏附能力,同時還能有效阻斷導電硬質層的電流,保護皮膚不受電流刺激。

4 總結與展望

水凝膠作為一類新型醫用敷料,是對目前其他類型醫用敷料功能的補充和增強,使得醫用敷料不僅具有良好的高彈性、滲透性和強吸水性,還具有良好的生物相容性和可調節的物理化學性能,這使得其可被廣泛應用于細菌感染及難愈合創面,且能克服高低溫環境的限制，得以正常使用。

本文系統總結了功能化水凝膠敷料從創面形成到創面愈合的一系列復雜動態過程中可發揮的重要作用,并總結了部分先進功能敷料(可抗凍耐熱水凝膠敷料及電子皮膚)的最新研究進展。現有水凝膠敷料原料從單一的原材料發展到多種原材料相互作用,水凝膠的結構也從單網絡逐漸到雙網絡結構的演變,功能更是從最初的單一功能到如今的多功能發展。但是,目前水凝膠敷料的作用仍具有一定限制性,對于通過改善材料結構，從而增強功能性質，以達到對各種創面的治愈仍是當下研究的重點。例如對于水凝膠的功能來說,可注射性就是一大優點,利用溫度的不同使得水凝膠相變轉化,當某些創面形狀奇特，或者創面在內部時,能將液態水凝膠注射到創面位置,利用人體自身的體溫變化使得水凝膠轉變為固態,從而固定在創面使其發揮作用。