一种pH响应型、载有geniposidic酸的壳聚糖/二醛羧甲基纤维素席夫碱水凝胶，用于加速伤口愈合

《International Journal of Biological Macromolecules》：A pH-responsive geniposidic acid-loaded chitosan/dialdehyde carboxymethyl cellulose Schiff base hydrogel for accelerating wound healing

pH响应性壳聚糖/羧甲基纤维素衍生物/吉ardia酸水凝胶通过Schiff碱反应制备，系统研究其力学性能、抗氧化性、降解性、流变特性、肿胀行为及药物缓释特性，发现pH7时肿胀率和药物释放量最高，并显著抑制金黄色葡萄球菌，小鼠全层皮肤伤口模型显示11天愈合率超95%，证实其促进细胞再生和伤口修复的有效性。

　　

杨一婷|秦兆英|李佳梅|朱明强|雷晓鹏|彭培

西北农林科技大学林学院，中国杨凌，712100

摘要

在皮肤伤口修复过程中，开发具有有效药物释放和理想治疗效果的pH响应性创面敷料仍然是一个重大挑战。本研究合成了一个负载儿茶苷酸的壳聚糖/二醛羧甲基纤维素（CS/DA-CMC/GPA）席夫碱水凝胶，并对其进行了表征。系统研究了该创面敷料的机械性能、抗氧化能力、降解性、流变性能、膨胀行为、药物释放行为、抗菌性能和细胞毒性。结果表明，该水凝胶的拉伸和压缩性能较弱，但粘附强度较高。在pH 7时，其膨胀率和药物释放量最高，分别可以用二阶动力学和Higuchi模型很好地描述。与大肠杆菌（E. coli）相比，该创面敷料对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制作用更为显著。此外，还在小鼠全层伤口模型中进一步检验了其伤口愈合效果。11天后，伤口愈合率超过了95%。最终，组织病理学观察和免疫组化染色证实，该水凝胶敷料有效促进了细胞再生和伤口修复，显示出其在加速伤口愈合方面的优异性能。本研究为设计新型pH响应性创面敷料在生物医学应用中的开发提供了一种有效方法。

引言

皮肤是人体最大的器官，作为最外层的保护屏障，它能够抵御外部创伤、化学物质侵害和病原体入侵，同时维持内部环境的稳态[1]。由于皮肤不断暴露于外部环境中，其完整性容易受到物理和化学因素（如机械损伤、化学刺激和热损伤）的影响，从而导致伤口形成。尽管人体具有内在的修复机制，但细菌引起的不良感染会负面影响愈合过程。因此，除了提供基本的伤口护理外，抗菌创面敷料引起了广泛的研究和临床关注[2],[3],[4],[5]。近年来，开发了诸如水凝胶、羟基胶体、泡沫和薄膜等功能性创面敷料，通过建立适宜的微环境来促进皮肤再生[6],[7],[8]。

将治疗剂整合到水凝胶中多年来一直是一个有吸引力的研究方向。作为三维亲水网络，水凝胶因其卓越的药物装载能力和在生理条件下的可控释放特性而备受重视。由于天然聚合物的安全性、生物相容性和保湿性，它们被用于多功能创面敷料的研究中。其中，壳聚糖（CS）因其广谱抗菌性能、无毒性和独特的物理化学性质而成为一种特别有前景的生物材料[9],[10],[11]。特别是CS的分子结构，其主链上具有许多可接近的氨基，为与生物活性化合物的复合提供了机会，并便于进行化学修饰，包括席夫碱的形成[12],[13]。此外，羧甲基纤维素（CMC）因其优异的生物相容性和易于化学修饰而受到广泛关注[14]。特别是过碘酸氧化可以选择性切割CMC中葡萄糖单元的C2-C3键，生成二醛CMC（DA-CMC）衍生物，这些衍生物常用于与CS的席夫碱反应，制备具有靶向药物释放功能的创面敷料。

席夫碱水凝胶具有独特的pH响应特性，可以根据不同的化学环境释放其中装载的活性化合物。最近，通过壳聚糖（CS）与肉桂醛的席夫碱反应制备了一种pH响应性水凝胶（ENR-NPs）[15]。在最佳pH 5条件下，ENR-NPs的药物累积释放率为88.12%。此外，还通过席夫碱反应制备了一种基于壳聚糖的水凝胶（CDA），作为高效封装和靶向释放维生素B12（VB12）的智能递送系统。在pH 1.2、7.4和6.8条件下，CDA3在24小时内的VB12累积释放率分别为99.45%、92.43%和81.30%，表现出明显的pH响应释放行为[16]。因此，席夫碱水凝胶具有优异的药物递送能力，可以在特定条件下有效提高药物利用率，从而加速伤口愈合过程。

抗菌性能对于先进的创面敷料材料至关重要。植物化学提取物因其多功能生物活性而受到了广泛的研究关注。儿茶苷酸（GPA）是一种从许多中国药用植物（例如欧当归Eucommia ulmoides Oliv.）中提取的天然环烯醚萜类葡萄糖苷，是这类化合物中的优秀候选者[17]。先前的研究表明，GPA具有多种药理活性，包括抗菌、抗炎和抗氧化作用[18],[19]。据报道，GPA的抗菌机制与其羧基和环烯醚萜基团有关，这些基团可以破坏细菌细胞膜的渗透压并降低酶活性，从而实现抗菌效果[20]。

基于此，我们通过CS与DA-CMC之间的席夫碱反应开发了一种新型的pH响应性GPA负载创面敷料水凝胶（Scheme 1）。系统地测定了该水凝胶的物理化学性质，并在体外研究了其药物释放行为和抗菌性能。此外，还评估了该创面敷料对小鼠全层皮肤伤口模型的影响。然而，本研究的局限性在于GPA仅作为CS/DA-CMC基创面敷料系统中的一个增量修饰。

材料

壳聚糖（CS，脱乙酰度95%，分子量6×10^5 g/mol）、羧甲基纤维素（CMC，分子量3.5×10^5 g/mol）、过碘酸钠（NaIO4）、无水柠檬酸（98%）和儿茶苷酸（GPA，98%）均购自西安万泽生物科技有限公司。GPA的物理化学性质如下：CAS 27741-01-1，白色粉末，化学式C16H22O10，分子量374.34 g/mol，水中的密度为1.6 g/cm3，熔点为138°C，脂水分配系数对数...

表征

图1a和b显示了NaIO4用量对DA-CMC产率和醛含量的影响。随着NaIO4与CMC的比例从1:1增加到2:1，DA-CMC的产率从88.9%下降到75.5%，而醛含量从39.4%增加到81.1%。这些趋势表明，过度的氧化会导致纤维素降解，但会产生较高的醛含量。为了在后续的席夫碱反应中获得高醛含量...

结论

总之，本研究成功开发并全面表征了通过席夫碱反应合成的pH响应性CS/DA-CMC/GPA创面敷料水凝胶。与酸性（pH 4）和碱性（pH 10）环境相比，中性条件（pH 7）下的水凝胶表现出最佳的膨胀性能，这可以用二阶动力学模型最好地描述。虽然从pH 4到7，GPA的药物释放量逐渐增加...

CRediT作者贡献声明

杨一婷：撰写——初稿，可视化，实验研究，数据分析。秦兆英：数据分析，数据管理。李佳梅：实验研究，数据分析。朱明强：指导，概念设计。雷晓鹏：可视化，概念设计。彭培：撰写——审稿与编辑，方法学研究，资金获取，概念设计。

利益冲突声明

我们声明与所提交的工作无关的任何商业或关联利益冲突。

致谢

本工作得到了陕西省重点研发项目（2024NC-YBXM-063）的支持。