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2022/7/8 Weekly Seminar
发布时间:2022-07-09

 Weekly Seminar

题目:基于Ag -木质素纳米粒子的植物激发胶粘剂和坚韧水凝胶引发动态氧化还原邻苯二酚化学

期刊:NATURE COMMUNICATIONS

原文链接:https://wwwnature.53yu.com/articles/s41467-019-09351-2

IF:17.694

汇报人颉向红 2019级博士

 

水凝胶作为修复软组织(包括皮肤、软骨和肌肉)的理想材料受到了关注。然而,水凝胶较差的力学性能限制了其在生物医学工程中的应用。纳米复合水凝胶、拓扑水凝胶、双网络水凝胶等方法被用于制备具有优异力学性能的水凝胶。然而,许多坚硬的水凝胶具有较差的细胞或组织粘附性,这阻碍了水凝胶与人体组织的整合

许多植物具有固有的粘附性,这是因为植物的细胞外基质中含有粘附分子,尽管植物基的粘附剂是脆性和易受伤害的。木质素是植物中储量第二丰富的生物聚合物,具有良好的生物相容性和环境友好性,已广泛应用于生物医学工程以植物为灵感,开发了一种儿茶酚化学为基础的具有长期粘附性、高韧性和抗菌能力的水凝胶。该水凝胶由含有Ag -木质素NPs、果胶和丙烯酸(AA)的水前驱体溶液在环境下凝胶而成果胶和聚丙烯酸(PAA)形成共价键和非共价键多交联的互穿网络,使水凝胶具有优异的力学性能。银离子的加入使水凝胶具有长期可重复的粘附性木质素NPs在水凝胶内部网络中不断生成邻苯二酚基团。由于Ag -木质素的存在,水凝胶在室温条件下自发聚合NPs与过硫酸铵(APS)相互作用产生大量自由基,引发水凝胶聚合。因此,避免对细胞/组织有害的紫外线(UV)或热处理。由于直接凝胶化方便,这种植物儿茶酚化学胶粘剂和坚韧的水凝胶适用于外科手术或其他生物医学应用。 

  

  黏附水凝胶在生物医学领域的应用日益广泛,但传统的黏附水凝胶黏附时间短,力学性能差,抗菌能力弱。本文基于Ag-木质素纳米颗粒(NPs)触发动态氧化还原邻苯二酚化学,开发了一种植物源性胶粘剂水凝胶。Ag-木质素NPs构建了动态的邻苯二酚氧化还原体系,在水凝胶内部形成持久的还原-氧化环境网络。这种氧化还原体系不断生成邻苯二酚基团,使水凝胶具有长期和可重复的粘附性。此外,Ag-木质素NPs在周围环境下会产生自由基并触发水凝胶的自凝胶。由于Ag-木质素NPs的邻苯二酚基团和杀菌能力,该水凝胶还具有良好的细胞亲和力和较高的抗菌活性。本研究提出了一种基于动态植物邻苯二酚化学设计韧性和黏附性水凝胶的策略。


 

1. 水凝胶的设计原理

 

  Ag -木质素NPs-PAA-果胶水凝胶分两步制备,如图1所示。首先,通过木质素与[Ag(nh3) 2] +配合物的氧化还原反应合成Ag-木质素NPs核壳纳米结构(补充图1)。在此过程中,木质素的甲氧基和邻苯二酚基团被氧化为醌基团,循环伏安法(CV)实验证明,红外傅里叶变换光谱、x射线光电子能谱(XPS)分析(补充图5678、补充表4、补充注7 - 9)。其次,将AA单体和果胶与Ag-混合Ag -木质素NPs在环境下引发自由基聚合,悬浮形成ag -木质素NPs- paa /果胶纳米复合水凝胶(1)Ag -木质素NPs能够实现醌-邻苯二酚可逆反应,使水凝胶具有黏附性(1b)。在这种水凝胶中,木质素和果胶都来自植物。果胶是一种杂多糖,是植物初生细胞壁的主要成分。果胶包含-OH-COOH基团,它们是氢键或离子键的活性位点。这些果胶官能团与某些物质具有选择性和强的结合。此外,果胶改善了生物相容性,并相互渗透到PAA网络,使水凝胶更坚韧和更灵活(1c)

1. 以植物为灵感的儿茶酚化学为基础的自粘、坚韧和抗菌NPs-P-PAA水凝胶的设计策略。

2. 机械性能

         NPs-P-PAA水凝胶具有良好的弹性、拉伸性和韧性。如图2a所示,水凝胶被拉伸到初始长度的26倍。加载-卸载的拉应力-应变曲线也证明了这一点(2b)。它还经受住了高度的压缩,完全变形而不断裂;在压缩载荷被移除后,水凝胶自动快速恢复到初始形状(2c)。加载-卸载压缩应力-应变曲线表明,NPs-P-PAA水凝胶具有良好的恢复性能(2dSupplementary) 19)。图2e为水凝胶在拉伸试验下的典型拉伸应力-应变曲线。最大拉伸应变随NPs含量的增加而增加,达到最大值在0.03 NPs时为2660%,远高于P-PAA水凝胶(860%),与PAA水凝胶形成鲜明对比(380%)。对各种水凝胶的强度和延展性产物也进行了测量,结果显示,0.03 NPs-P-PAA水凝胶的强度和延展性最高(300MPa%),如图2f所示。断裂能的变化趋势与单边缺口试验相似(2g)。因此,纳米粒子的纳米增强作用改善了水凝胶的力学性能。L-P-PAA水凝胶中加入纯木质素作为对照,L-P-PAA水凝胶的拉伸强度低于PAAP-PAA0.03 NPs-P-PAA水凝胶。

2 水凝胶的力学性能


3. 粘合度

  类似于粘合剂植物,这种水凝胶对各种基质具有长期和可重复的粘附性。水凝胶可以粘附在亲水和疏水表面,如聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、橡胶、玻璃、坚果壳和钢(3a)。黏附水凝胶对生物组织也有很高的黏附性,包括心、肺、肾、脾、肝、骨和肌肉,这对生物医学至关重要(3)。该水凝胶在作者身体皮肤表面表现出良好的粘附性能,被剥离后无任何残留和过敏反应(3b)。水凝胶在代表表面上的粘附强度通过拉伸粘附试验进行量化(3c和附图20);对玻璃、钛(Ti)PTFE和猪皮的kPa分别为38506527.530次重复剥离/粘接后,水凝胶仍保持良好的粘接(3d)。为了证明该水凝胶具有持久的粘附性,对不同贮存时间(714、和28)28天后,水凝胶对猪皮保持良好的粘附(附图21)。因此,水凝胶的粘附性归因于PAA的羧基和Ag -木质素NPs的邻苯二酚基团的协同作用(Supplementary Notes 16 and 补充图15)。首先,PAA的羧基可以通过静电相互作用与各种表面相互作用。第二,Ag -木质素NPs在氧化还原反应中产生邻苯二酚和醌基团,使水凝胶具有粘附性。醌基团与果胶和PAA形成物理交联,可显著增强水凝胶的内聚力。邻苯二酚基团对各种基底具有很强的附着力,与不同基底通过共价和非共价键相互作用(3e)。这些结果证明了PAA的羧基和Ag -木质素的邻苯二酚基NPs使水凝胶具有良好的粘附性。


3. NPs-P-PAA水凝胶的粘接性能

4. 抗菌活性

  由于Ag-木质素NPs 46, 47Ag具有广谱的抑菌活性,因此NP-P-PAA水凝胶具有较强的抑菌活性。图4a是用水凝胶培养的细菌悬浮液的照片。空白组、PAAP-PAA的悬液在培养24 h时浑浊,而NPs-P-的悬液浑浊PAA水凝胶透明。该水凝胶的杀菌率为大肠埃希菌和表皮葡萄球菌占97%分别为98%(4b)。结果表明,水凝胶对阳性和阴性菌均有明显的抑制作用水凝胶的抑菌活性在兔体内模型中得到了进一步证实。将纯化的NPs-P-PAA水凝胶植入兔背部的皮下袋中,然后在袋中注射大肠杆菌悬液(1mL, 105细胞mL1)(4c)7天后,取手术部位检查感染和炎症反应(4 d)组织染色显示P-PAA组周围组织有大量多核巨细胞和水肿组织,皮下组织被破坏,提示大肠杆菌引起严重的炎症反应。与之形成鲜明对比的是,NPs-P-周围的组织PAA水凝胶状态良好,其周围几乎没有多核巨细胞和水肿组织。这些结果表明,NPs-P-PAA水凝胶具有良好的体内抗菌能力,可安全用于伤口愈合和骨或软骨修复。

4水凝胶的抗菌活性

5. 细胞亲和力和伤口愈合

      NPs-P-PAA水凝胶具有细胞亲和力,有利于细胞的粘附和增殖(5a, b)。纤维母细胞,通常负责伤口修复的细胞类型,在PAA, P-PAANPs-P-上培养PAA水凝胶。在细胞培养或植入实验前,用磷酸盐缓冲盐水溶液和75%酒精反复纯化水凝胶,去除过量的APS和其他残留。共聚焦激光扫描显微镜图像显示,所有的水凝胶都支持细胞粘附和扩散(5a) PAA水凝胶相比,P-PAA水凝胶具有更好的细胞粘附性。0.03 NPs-P-PAA水凝胶的细胞粘附性最好。采用MTT(3-[4,5-二甲基噻唑-2-]-2,5-二苯基溴化四唑)测定法进一步评估水凝胶上的细胞增殖(5b)。纤维母细胞的增殖P-PAANPs-P-PAA水凝胶比P-PAA水凝胶更快PAA水凝胶因为果胶和Ag -木质素NPs有改善的生物相容性和细胞亲和力。NPs-P-PAA水凝胶进一步用于修复体内全层皮肤缺损(5c-f)NPs-P-PAA水凝胶的愈合效果优于空白和P-PAA水凝胶。加载表皮生长因子(EGF)后,水凝胶的愈合效果最好。水凝胶植入14天后,所有水凝胶组创面愈合良好,缺损区基本闭合,未水凝胶组创面较大(5d)。皮肤愈合率定义为创面愈合面积与初始创面面积的比值,定量评价不同水凝胶处理的创面愈合率(5e)NPs-P-PAA水凝胶的愈合率为90%,高于空白组(59%)P-PAA水凝胶(78%)EGF加载水凝胶的愈合率最高,达92%。用H&E染色法进一步观察缺损皮肤组织再生的质量。如图5f所示,所有样品都被完整的表皮层覆盖。总之,这种NPs-P-PAA水凝胶能够修复创面愈合,增加皮肤组织再生,其组织再生能力优于其他水凝胶。


5生物相容性NPs-P-PAA水凝胶用于修复全层皮肤缺损。


综上所述,作者制备了一种具有高粘附性、韧性和细胞亲和力的植物儿茶酚化学水凝胶。Ag -木质素NPs可在水凝胶内部生成自由基并维持醌-邻苯二酚氧化还原平衡。与常用的胶粘剂相比,该水凝胶具有以下优点:首先,从根本上富集Ag -木质素NPs可以触发水凝胶的凝胶化,而不需要紫外线和热处理。因此,该水凝胶具有生物相容性,对皮肤组织无害。二是水凝胶具有持久的粘附性,粘附时间长;第三,植物源Ag -木质素NPs水凝胶具有良好的细胞亲和力和组织粘附性。最后,水凝胶具有抗感染的能力,特别适合皮肤创面修复。简而言之,这种易于制备、环境友好的植物源水凝胶阐明了一种基于动态氧化还原邻苯二酚化学的多功能性粘附性水凝胶的发展策略。