西安交通大学Nature Protocols：物理动态双网络水凝胶作为敷料，促进组织修复

一、【导读】

敷料在伤口管理中起着至关重要的作用，因为它们可以保护伤口免受外部感染，并加快愈合过程。在各种可用的敷料中，水凝胶因其可调节的化学，物理和生物学特性以及可吸收和保留大量水的三维交联聚合物网络而受到越来越多的关注。随着研究的深入，具有单一功能的水凝胶敷料难以满足交错愈合的要求，因此需要设计具有多种可调功能的智能水凝胶。2003年，Gong等人首次报道了一种通过两步序自由基聚合制备的双网状水凝胶（Adv. Mater. 2003, 15, 1155–1158），与单网状水凝胶相比提高了韧性。随着研究的深入，越来越多合成双网状水凝胶的方法被开发出来。已有的制备双网状水凝胶方法包括化学交联、混合化学/物理交联和物理交联。其中物理相互作用形成的水凝胶通常比化学交联的水凝胶网络具有更高的动态网络，可以提供自愈特性。近日，郭保林团队在克服单网状水凝胶机械强度不足的基础上（2017年郭教授的研究），开发了一种物理动态双网络水凝胶的通用制备方法，与其他物理交联水凝胶相比，这种类型的水凝胶显示出非常高的韧性，使其成为需要复杂运动的伤口敷料的理想选择。

二、【成果掠影】

得益于壳聚糖(作为第一网络)和聚乙烯醇结晶(作为第二网络)之间的氢键可以生成物理交联的双网络水凝胶，以及疏水缔合和氢键相互作用也可用于获得双网络水凝胶，郭保林团队描述了一种制备物理双网状水凝胶的方法，以及其在伤口敷料、生物粘合剂和止血剂等方面的应用。同时也对表征其属性的方法进行了探究。相关的研究成果以“Physical dynamic double-network hydrogels as dressings to facilitate tissue repair”为题发表在Nature Protocols上。

三、【核心创新点】

• 新方法：首先通过六亚甲基二异氰酸酯（HDI）将脲基嘧啶酮（Upy）接枝到生物高分子（如明胶）上，形成Upy改性明胶（GTU），随后在含有多羟基的合成高分子如聚(甘油癸二酸酯)-共-聚(乙二醇)（PEGS）的羟基上共聚3，4-二羟基苯丙酸，生成PEGS-共聚-儿茶酚（PEGSD），最后通过往上述两种聚合物混合溶液中添加Fe³⁺，将Upy的多重氢键与Fe³⁺和邻苯二酚之间的金属配位相互作用结合在一起。

• 优势：在该物理动态双网络水凝胶中，两种物理动态交联网络都能在水凝胶变形过程中参与能量耗散，并通过可逆键“缔合-解离”机制实现自愈性能。

四、【数据概览】

图1 |PEGSD/GTU水凝胶制备示意图。a,b, PEGSD预聚物的合成。c, UPy-HDI的合成。d, GTU的合成。e, PEGSD/GTU水凝胶的制备，以及水凝胶网络中物理双动态交联示意图。

图2 |PEGSD和GTU聚合物的表征。a, PEGSD2聚合物的1h NMR谱。b, PEGSD2聚合物、明胶和GTU聚合物的FT-IR光谱。c, 凝胶和GTU7.5聚合物的¹H NMR谱。d, 不同邻苯二酚接枝率PEGSD聚合物的紫外可见光谱。以去离子水(DI)为溶剂。e, 不同UPy-HDI接枝比下GTU聚合物的紫外可见光谱。采用二甲基亚砜作为溶剂。

图3 |物理双网状水凝胶的性质。a, PEGSD2/GTU5.0水凝胶图片。b, PEGSD2/GTU5.0水凝胶的压缩状态。c, PEGSD2/GTU5.0水凝胶的拉伸状态。d, PEGSD2、PEGSD2/GT、PEGSD3/GTU2.5、PEGSD2/GTU5.0、PEGSD2/GTU7.5水凝胶膨胀前后的SEM图像，比例尺，300µm。e, 不同水凝胶对PBS达到溶胀平衡时的溶胀比。f，通过16g针注射PEGSD2/GTU5.0水凝胶图像。g，“XJTU”纹理，由16g针注入的水凝胶书写。

图4 |PEGSD2/GTU5.0水凝胶的自愈行为。a、将PEGSD2/GTU5.0水凝胶在室温下切割愈合在一起，愈合后的水凝胶具有良好的粘接性和机械强度，可承受6 g管。b、PEGSD2/GUT5.0水凝胶的热触发愈合行为。在37°C下，水凝胶在12分钟内愈合。C .近红外辐射触发水凝胶的愈合行为，在45 s内愈合。d，水凝胶在37℃下的储存模量和损失模量。e、水凝胶在流变性能温度扫描试验中的储存模量和损失模量。f, PEGSD2/GUT5.0水凝胶对菌株的储存模量和损失模量(0.1% ~ 1000%)。g、PEGSD2/GTU5.0水凝胶连续阶应变试验结果。高应变为250%，低应变为1%。比例尺，1厘米。

图5 |水凝胶光热抗菌效果。a, 光强为1.4 W/cm2时水凝胶和水凝胶前驱体共聚物溶液的温度变化。b, 光强为0.6 ~ 1.4和2.3 W/cm2时PEGSD2/GTU5.0的∆T-NIR辐照时间曲线。c, 热图10 wt %的明胶溶液,10 wt % GTU5.0解决方案,15 wt % PEGSD2解决方案,水凝胶PEGSD2,水凝胶PEGSD2 / GT和水凝胶PEGSD2 / 10分钟后GTU5.0近红外照射下光强度为1.4 W / cm2 (i-vi)和热水凝胶的地图PEGSD2 / GTU5.0的光强度下0.6(七)和2.3 W / cm2(八),d, e, Killing-irradiation时间曲线(d)和大肠杆菌金黄色葡萄球菌(e) PEGSD2 / GTU5.0和PBS组接触近红外光谱辐照后不同时间(1.4 W / cm2)。f, PEGSD2/GTU5.0 (ii和iv)组和PBS (i和iii)组在近红外辐射(1.4 W/cm2)下分别暴露0、1、3、5和10分钟后的存活大肠杆菌(i和ii)和金黄色葡萄球菌(iii和iv)的照片。

图6 |水凝胶的抗氧化和按需去除。a, 不同浓度水凝胶对稳定自由基DPPH•的清除效率。**P < 0.01， ***P < 0.001。b, 空白、156µg/mL GTU5.0和浓度为39 ~ 156µg/mL的水凝胶分散液的DPPH•紫外可见光谱。c, 近红外辐照下PEGSD2/ GTU5.0水凝胶的凝胶-溶胶转变。d, 水凝胶PEGSD2/GTU5.0在37°C和45°C的2%醋酸溶液中浸泡1 min、5 min、10 min、15 min、20 min和30 min的照片。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41596-023-00878-9

本文由charfreen撰稿