双网络交联的抗菌、抗氧化纤维素基水凝胶，具有促进伤口愈合的功能，可用于保护开放性腹部损伤

《International Journal of Biological Macromolecules》：Double network crosslinked antibacterial and antioxidant cellulose-based hydrogel capable of healing wound for protecting open abdomen

开放腹部术后临时腹腔闭合材料的研究：开发了一种Zn-TCG水凝胶，通过GelMA与TEMPO氧化纤维素纳米纤维双重交联实现结构支撑和生物活性协同，促进创面愈合、抑制细菌生长及氧化应激，机制涉及MAPK/ERK信号通路激活。

　　

李青川|李思成|李泽|李伟珍|曲桂文|陈康|黄陆桥|马瑞|邓丽婷|杨双红|滕一添|黄金建|吴秀文|谢英海

安徽科技大学第一附属医院，中国淮南，232001

摘要

开放性腹部（OA）是一种常见的救命手术干预措施，适用于患有严重胰腺炎、腹腔内感染或重大创伤的患者。然而，开放性腹部术后不可避免地会导致持续的体液和热量丢失，因此在这种情况下临时性腹部闭合（TAC）变得不可或缺。传统的材料，如聚丙烯（PP）网片，可以防止腹壁收缩。但是，这些材料可能会引起肠道擦伤，从而导致肠腔与大气相通的瘘管形成。因此，开发兼具结构支撑和生物活性的敷料非常重要。在这项研究中，我们通过将明胶甲基丙烯酰化物（GelMA）与TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TC）结合，并进一步利用锌离子（Zn²⁺的配位作用进行交联，制备出了多功能复合水凝胶Zn-TCG。Zn-TCG水凝胶表现出可调的机械性能、优异的注射性能以及持续的Zn²⁺释放能力。它具有良好的血液相容性，能够抑制活性氧（ROS）的积累，并抑制细菌增殖。体外实验表明，Zn-TCG显著促进了成纤维细胞的迁移和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的管状形成。与仅使用GelMA和PP网片的对照组相比，体内实验中Zn-TCG显著加速了上皮再生、胶原沉积和血管生成。机制研究证实了MAPK/ERK信号通路的激活以及表皮分化标志物（Krt10、Loricrin和Tgm1）的上调。RNA测序进一步揭示了与角质化和免疫相关的基因通路富集。总之，Zn-TCG水凝胶为临时性腹部闭合和伤口管理提供了一种有前景的策略。

引言

开放性腹部（OA）是处理严重创伤、腹腔间隔综合征和严重腹腔内感染的重要手术方法[1]、[2]、[3]。有意保持腹腔开放可以提供救命的好处，例如改善内脏灌注并降低腹腔内压力[4]、[5]。然而，腹腔内脏的长时间暴露与严重的并发症相关，包括体液丢失、感染、粘连和肠腔与大气相通的瘘管形成[6]、[7]。因此，对于临床情况有所改善的OA患者，通常会采用临时性腹部闭合（TAC）手术[8]、[9]。在过去几十年中，已经使用了多种材料进行TAC，包括毛巾夹、合成网片、Wittmann贴片、Bogota袋、Barker真空包和负压治疗系统[10]、[11]、[12]、[13]。这些方法的目的是迅速恢复腹壁的完整性，从而保护腹腔内容物并防止体液丢失。尽管这些方法有助于减少并发症和死亡率，并提高了OA治疗的初次筋膜闭合率，但大多数材料都是基于塑料的。它们的刚性或磨蚀性表面可能会增加肠道擦伤的风险，可能导致肠腔与大气相通的瘘管形成[14]、[15]、[16]、[17]。

为了降低这些风险并促进伤口愈合，人们探索了基于多功能水凝胶的界面，以增强TAC材料的生物相容性和功能整合。水凝胶具有独特的优势，例如与组织相似的粘弹性、高含水量、保持湿润伤口环境的能力以及携带促愈合药物的能力。此外，水凝胶涂层可以作为物理屏障，减少闭合材料与内脏之间的粘连和机械刺激[18]、[19]、[20]、[21]。上皮再生对于OA伤口愈合至关重要。快速的上皮再生可以有效缩短腹腔器官与外部环境的接触时间，从而显著降低肠腔与大气相通的瘘管形成风险[22]。在各种水凝胶中，基于明胶的水凝胶特别有前景，因为它们含有促进细胞粘附和增殖的生物活性RGD基序，以及促进基质重塑的基质金属蛋白酶（MMP）敏感位点。通过甲基丙烯酰化，明胶获得了光交联能力，可以制备出适合不规则OA伤口的可定制水凝胶[18]、[23]、[24]。

单独使用水凝胶可能难以充分促进组织再生。为了进一步增强水凝胶的上皮愈合潜力，我们加入了锌离子（Zn²⁺，这是一种天然微量元素，已知可以促进上皮再生和细胞外基质合成，同时通过清除活性氧（ROS）来减轻氧化应激[25]、[26]。此外，Zn²⁺通过静电相互作用破坏细菌膜结构，从而损害微生物的完整性和生存能力，并表现出强大的抗菌性能。这些独特特性使Zn²⁺成为OA伤口敷料的理想成分[27]、[28]、[29]。然而，传统的氧化锌纳米颗粒（ZnO）降解速度较慢，在伤口渗出物存在的情况下可能会释放过多的Zn²⁺，可能导致局部离子失衡和细胞毒性[30]、[31]。基于金属配位的递送系统提供了一种有前景的替代方案。纤维素是自然界中最丰富的可再生多糖，已广泛应用于生物医学领域，包括药物递送、伤口愈合水凝胶和组织工程支架[32]。通过TEMPO介导的氧化，纤维素C6位置的羟基可以被选择性氧化为羧基。这种修饰使得Zn²⁺能够通过金属-羧基相互作用稳定地与纤维素纳米纤维（Zn-TC）结合[33]。

在这项研究中，我们通过光交联和金属配位作用，将明胶甲基丙烯酰化物（GelMA）和TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TC）结合，制备出了锌配位的双网络水凝胶（Zn-TCG）（图1）。Zn-TCG水凝胶通过GelMA与Zn²⁺配位的TEMPO氧化纤维素纳米纤维之间的双重交联而形成，具有优异的机械适应性、抗菌和抗氧化性能。这种水凝胶可以持续释放Zn²⁺，并激活MAPK/ERK等促进修复的信号通路，从而增强上皮再生和血管生成，适用于临时性腹部闭合。我们系统地评估了该水凝胶的物理化学性质、机械性能、生物相容性、抗菌和抗氧化效果，以及促进细胞迁移和血管生成的能力。在OA伤口应用中，Zn-TCG水凝胶显著促进了上皮修复，并探讨了其背后的修复机制。这一策略为OA伤口的临时性闭合管理提供了一种有前景的方法。

材料

TC（2 wt%）购自Wood Spirit Biotechnology Co., Ltd.（中国天津；产品代码：MJLTOCNFNano-2.5）。这些纳米纤维是通过TEMPO/NaBr/NaClO氧化系统从漂白软木牛皮纸浆中提取的。TCNF的羧基含量为2.54 mmol/g（干重基），ζ电位为-86.0 mV。该材料由88.6%的α-纤维素和7.45%的半纤维素组成，不含可检测到的木质素。透射电子显微镜（TEM）数据显示纤维长度

Zn-TCG水凝胶的合成与表征

如图2A所示，通过将明胶的氨基和羟基与甲基丙烯酸反应（GelMA），制备出了明胶甲基丙烯酰化物。该反应为明胶引入了甲基丙烯酰基团，使其具有紫外光诱导的交联能力[35]。通过将GelMA的紫外光引发化学交联与TEMPO氧化纤维素的锌离子介导的物理交联相结合，成功制备出了双网络水凝胶。

不同状态下水凝胶的形态特征如下所示

结论

在这项研究中，我们开发了一种新型的双网络水凝胶，该水凝胶使用了与Zn²⁺配位的GelMA和TC。所得水凝胶表现出优异的生物相容性和生物降解性能。此外，这种水凝胶可以固定在PP网片上。在临床环境中应用于PP网片进行TAC时，涂层可以作为网片与腹腔内脏之间的保护性界面，从而减少摩擦并最小化体液丢失。

此外，Zn²⁺的持续释放

缩写列表

TC
TEMPO氧化纤维素纳米纤维
GelMA
甲基丙烯酰化明胶
TCG
TEMPO氧化纤维素纳米纤维与甲基丙烯酰化明胶的混合物
Zn-TC
通过Zn²⁺交联的TEMPO氧化纤维素纳米纤维
Zn-TCG
Zn²⁺与TEMPO氧化纤维素纳米纤维按1:1质量比配比的混合物

CRediT作者贡献声明

李青川：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件使用、方法学设计、实验研究、数据分析、数据整理。李思成：软件使用、数据整理。李泽：软件使用、数据整理。李伟珍：数据分析。曲桂文：实验研究、数据分析。陈康：数据分析。黄陆桥：数据分析。马瑞：可视化、验证、方法学设计、实验研究。邓丽婷：可视化、方法学设计、实验研究。杨双红：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了安徽省健康与 wellness 研究项目（AHWJ2023A20483、AHWJ2024Aa10094）、金陵医院资助（编号2024JSYXZD042）以及安徽省“十四五”规划期间的关键临床专科项目、淮南“创新与创业之星”项目（腹部疼痛综合治疗创新团队）的支持。