具有免疫调节和抗菌特性的海洛石与Zn2+交联明胶/聚酰胺肟基水凝胶，可用于促进伤口愈合

《International Journal of Biological Macromolecules》：Halloysite and Zn2+-crosslinked gelatin/polyamidoxime-based hydrogel with immunoregulatory and antibacterial properties for promoting wound healing

纳米复合材料水凝胶通过光聚合与锌离子配位双交联技术实现止血、抗菌、抗氧化及免疫调节功能，显著促进小鼠皮肤伤口愈合。

　　

作者名单：岳思彤（Sitong Yue）、魏庆聪（Qingcong Wei）、王路（Lu Wang）、李旭曦（Yuxi Li）、张薇薇（Weiwei Zhang）、姜玉琴（Yuqin Jiang）、胡志国（Zhiguo Hu）、王启刚（Qigang Wang）

合作单位：河南省精细化工绿色制造协同创新中心、教育部绿色化学介质与反应重点实验室、河南工程研究中心手性羟基药物实验室、河南师范大学化学与化学工程学院，中国新乡市 453007

摘要

伤口愈合是一个复杂的生理过程，涉及多个阶段。持续的细菌感染和炎症会严重阻碍这些愈合阶段。因此，开发多功能复合水凝胶敷料具有重要的临床意义和广阔的应用前景。在本研究中，我们设计并制备了一种基于明胶/聚酰胺肟（GP/Zn-VHC）的纳米复合水凝胶，其中加入了甲基化明胶、聚酰胺肟（PAO）、载有姜黄素的乙烯基接枝凹土纳米管（VHC），以及光引发剂和锌离子。光诱导的乙烯基基团聚合形成了凹土交联的共价明胶网络。值得注意的是，锌离子与PAO之间的配位交联显著增强了GP/Zn-VHC水凝胶的机械性能和抗菌性能，并赋予其免疫调节能力。同时，VHC的引入使水凝胶具备了出色的止血、抗氧化和抗炎特性。综合测试表明，这种多功能GP/Zn-VHC水凝胶显著加速了皮肤伤口的愈合。其益处归因于三个关键特性：优异的组织黏附性、均匀的多孔结构，以及促进胶原蛋白沉积和组织再生的能力，同时还能使巨噬细胞极化为M2表型，从而调节细胞因子的分泌。因此，本研究为高性能纳米复合水凝胶敷料在高效伤口愈合中的应用提供了新的见解。

引言

皮肤是抵御外部环境侵害的主要生理屏障，有助于维持体内稳态并防止病原体入侵。当这一关键屏障受到破坏——无论是由于急性创伤还是慢性伤口的愈合障碍——患者的生活质量会受到显著影响[1]、[2]。皮肤损伤通常伴随着复杂的伤口微环境，包括过度出血、氧化应激、细菌感染和持续炎症[3]、[4]。细菌定植会进一步引发过度的宿主免疫反应，尽管免疫细胞能够消灭病原体，但会加剧局部炎症。这种长期的炎症状态不仅延缓了从炎症相到增生相的转变，还会促进活性物质的过度产生，形成氧化应激和炎症的恶性循环，最终阻碍组织再生[5]、[6]、[7]。目前的伤口管理主要依靠敷料来应对这些风险。然而，传统敷料（如纱布、聚合物绷带、静电纺丝纤维网、多孔海绵）存在功能局限性，并且在更换过程中可能因机械干扰而造成二次损伤[8]。此外，小分子抗生素的过度使用加速了细菌耐药性的产生，使得耐药性感染的控制变得更加复杂[9]、[10]。这些局限性推动了对下一代多功能敷料的研发，这类敷料需要同时具备止血、抗菌、抗氧化、抗炎以及保持湿润且透气的微环境等功能。

水凝胶作为下一代伤口敷料材料，因其独特的亲水性和三维网络结构而受到了广泛的研究和应用[11]、[12]、[13]。这些高吸水性的聚合物材料通过物理或化学交联保持结构稳定性[14]、[15]、[16]、[17]、[18]，表现出出色的液体吸收能力，有效管理伤口渗出物同时保持湿润的微环境[19]、[20]。它们的优异生物相容性和可降解性满足临床需求[21]、[22]、[23]，同时具有理想的黏弹性和组织黏附性[24]。作为多功能平台，水凝胶不仅促进氧气扩散[25]，还能结合药物或生物活性物质[26]，加速上皮再生和血管生成[27]，从而促进伤口愈合。为了满足多样化的伤口治疗需求，当前的水凝胶研究已经超越了单一功能的局限，展示了在伤口管理应用中的巨大价值。在材料选择方面，明胶——一种高水溶性的功能性蛋白质[28]——因其优异的溶解性、生物相容性和强氢键能力而被广泛用于水凝胶伤口敷料[29]。然而，实际应用往往需要对其进行化学修饰或与其他聚合物混合，以克服快速降解和机械强度不足等固有缺陷[30]。通过甲基丙烯酰化改性的明胶衍生物GelMA结合了天然和水合成水凝胶的优点[31]，获得了光交联特性，赋予其显著的热稳定性和机械强度[32]。聚酰胺肟（PAO）作为一种具有动态配位特性的功能性聚合物，其酰胺肟基团在碱性水溶液中会转化为亲水性阴离子[33]，这些基团能够与锌离子发生2:1的配位交联[34]、[35]，形成稳定且可逆的水凝胶网络[36]。尽管关于基于PAO的水凝胶作为伤口敷料的报道较少，但研究表明，锌离子的引入赋予水凝胶显著的抗菌性能[37]、[38]，并能够调节巨噬细胞向M2表型的极化，从而加速血管生成和组织再生[39]、[40]、[41]。这种独特的组合使得基于PAO的水凝胶在先进伤口愈合应用中具有巨大潜力。

凹土纳米管（HNTs）作为一种代表性的硅酸盐粘土，已被广泛认可为多种聚合物材料的有效增韧剂[42]，也是传统中医中的理想止血剂[43]。其止血性能源于双重功能机制：（1）优异的生物相容性与独特的纳米中空管状结构[44]；（2）通过其中空管状形态介导的物理吸附作用，增强血小板的富集和活化[45]。值得注意的是，HNTs内外表面的丰富羟基使其具有优异的水分散性[46]。通过表面接枝乙烯基三乙氧基硅烷，可以在界面引入反应性乙烯基基团，获得乙烯基接枝的HNTs（VTE-HNTs）[47]、[48]，从而与聚合物基质发生共价交联，优化复合材料的机械性能。此外，HNTs作为一种多功能无机纳米载体，因其出色的装载能力而可用于封装多种药物分子和纳米颗粒[49]。姜黄素是从姜黄根茎中提取的一种疏水性天然多酚[50]，具有显著的生物活性，包括抗炎[51]、抗菌[52]和抗氧化作用[53]。然而，其临床应用受到溶解度低和代谢清除快的固有限制[54]。研究表明，在HNTs内进行纳米封装可以提高姜黄素的溶解度、分散稳定性和细胞摄取效率[55]。这种策略为姜黄素的释放建立了有效的缓释系统，显著促进了皮肤组织再生和伤口愈合过程。

鉴于上述情况，我们开发了一种基于GelMA/PAO的纳米复合水凝胶系统，该系统具有优异的生物相容性、适当的机械性能、良好的止血能力、有效的抗菌活性、抗氧化性能以及抗炎和免疫调节功能。目标GP/Zn-VHC水凝胶是通过结合GelMA、PAO、Zn²⁺和载有姜黄素的VTE-HNTs（VTE-HNTs@Curcumin）制备而成的（图1）。HNTs克服了姜黄素疏水性导致的分散问题，实现了持续和有效的药物释放。水凝胶的形成分为两个步骤：首先通过光诱导的自由基聚合形成由HNTs交联的共价网络，然后Zn²⁺进一步交联PAO网络。这种双重交联结构不仅增强了GP/Zn-VHC水凝胶的机械强度，还赋予其免疫调节能力和优异的抗菌性能。通过全面的体外和体内实验验证了水凝胶的多功能性，并通过小鼠全层皮肤伤口模型证实了GP/Zn-VHC水凝胶在促进皮肤再生方面的多重治疗效果。总体而言，GP/Zn-VHC水凝胶在临床伤口护理应用中显示出巨大的潜力。

材料

明胶（250克，猪皮来源）和甲基丙烯酸酐（94%，含0.2%托潘醇稳定剂）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。聚丙烯腈（Mn = 85,000）、盐酸羟胺（99%）、乙烯基三乙氧基硅烷（97%）、苯基-2,4,6-三甲苯甲酰膦酸锂（LAP，98%）和硫酸锌购自上海麦克林生化科技有限公司。凹土纳米管（HNTs）购自广州润沃材料科技有限公司。

水凝胶的制备与表征

使用¹H NMR确认了GelMA的成功合成。如图S1所示，在δ = 5.23–5.82 ppm范围内出现了两组峰，对应于两个乙烯基基团的等效氢。与PAN不同，PAO的FTIR光谱中2245 cm^?1处的CN键消失后，在1650 cm^?1处出现了一个明显的吸收峰，这归因于CN键的伸缩振动，证实了PAO的成功制备（图S2）。此外，

结论

本研究开发了一种基于VHC交联GelMA网络和Zn²⁺配位PAO网络的水凝胶伤口敷料。这种双重交联网络结合了共价和配位相互作用，实现了机械强度和生物功能的最佳整合。实验结果表明，Zn²⁺交联的PAO不仅增强了结构稳定性，还显著提高了抗菌效率，并进一步赋予GP/Zn-VHC水凝胶

CRediT作者贡献声明

岳思彤：撰写——初稿撰写、验证、实验研究。 魏庆聪：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。 王路：数据管理。 李旭曦：数据管理。 张薇薇：撰写——审稿与编辑、资金筹集。 姜玉琴：资金筹集。 胡志国：撰写——审稿与编辑、资源协调。 王启刚：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文工作的财务利益和个人关系。

致谢

本研究得到了以下基金的支持：区域创新与发展联合基金重点项目（编号：U24A2069）、河南省基础研究专项（编号：23ZX009）、河南省自然科学基金（编号：252300421453）、河南师范大学技术创新团队（编号：2022TD03）。