《International Journal of Biological Macromolecules》：Preparation of starch fumaropimarate and its efficient removal of ciprofloxacin hydrochloride from water
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仿生水凝胶通过WSCA、PNIPAM和MXene纳米片协同构建有序层状多孔结构，显著提升机械强度和热响应速度，实现创面修复中快速热收缩、药物缓释及抗菌功能，为无疤痕愈合提供新策略。
魏晨|谢根坦|栾欣欣|朱宝龙|潘丽霞|谢东|王立新|张旭卓|黄超兴|庞金辉
中国山东省青岛市青岛科技大学先进光学聚合物与制造技术国家重点实验室，266042
摘要
随着皮肤创伤发病率的上升，对先进的伤口护理材料的需求也在增加。然而，传统的PNIPAM水凝胶由于热响应动力学缓慢和机械强度较弱而受到限制。受到磷脂自组装和肌肉组织的启发，我们开发了一种仿生热敏水凝胶（WNM），该水凝胶由水溶性醋酸纤维素（WSCA）、PNIPAM和MXene纳米片组成。在这里，WSCA通过疏水-亲水相互作用和氢键作用引导PNIPAM和MXene自组装成有序的层状多孔结构。这种分层结构提高了机械强度，并通过降低质量传递阻力加速了热收缩。WNM水凝胶能够产生主动的收缩力，调节伤口的机械环境以支持组织再生和无疤痕愈合。此外，该水凝胶还具有强自粘性、生物相容性、长效抗菌活性和快速药物释放能力。我们的研究为设计具有强大临床潜力的高性能伤口敷料提供了一种多功能策略。
引言
皮肤作为人体的第一道免疫防线和最大的器官，在保护、感觉感知和体温调节中发挥着重要作用[1]、[2]、[3]、[4]。尽管皮肤具有天然的韧性，但它仍然容易受到外部创伤[5]、[6]、[7]、[8]。在伤口愈合过程中，皮肤的机械微环境是一个关键但常被忽视的调节因素。皮肤损伤会破坏原有的皮肤张力，导致机械失衡[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。皮肤张力的失衡会引发异常的细胞反应，包括肌动蛋白束的形成和过多的胶原蛋白沉积，从而导致细胞外基质重塑功能障碍和疤痕形成[15]、[16]、[17]、[18]。因此，在伤口部位恢复机械稳态已成为指导生理组织再生的重要策略[19]。此外，有效的伤口管理需要建立一个能够防止感染、调节炎症和支持组织修复的保护性微环境[20]、[21]、[22]。
水凝胶敷料由于其保湿性、渗出物吸收能力、屏障功能和药物输送能力，成为伤口管理的有前景的平台[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。其中，热敏聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）水凝胶在其低临界溶解温度（LCST，约32–34°C）附近表现出可逆的相变[28]、[29]、[30]。这种水凝胶在体温下可以收缩，产生收缩应力，有助于伤口闭合并调节机械微环境[30]、[31]、[32]、[33]。然而，传统的PNIPAM水凝胶往往响应动力学缓慢且机械强度低，限制了其实际应用。受天然组织启发的结构优化已被证明可以提升水凝胶的性能[34]、[35]、[36]。例如，Yan等人[30]通过定向冷冻结晶制备了各向异性的PNIPAM水凝胶，显著改善了水凝胶的机械性能和收缩率；然而，这种方法依赖于复杂的外部干预且可扩展性有限。
MXene是一种二维（2D）纳米材料，表面具有丰富的官能团，如–OH和F。由于其亲水性、高热导率和优异的光热转换效率，MXene被广泛用于生物医学水凝胶中[37]、[38]、[39]。Wang等人[40]利用这些特性开发了一种基于MXene的水凝胶，能够实现近红外触发下的Sanghuang多糖释放，从而促进感染伤口的愈合。
在这里，我们报道了一种基于WSCA引导的PNIPAM和MXene纳米片共组装的仿生伤口敷料（WNM）。WSCA的存在促进了有序层状多孔结构的自发形成。这种分层结构提高了机械完整性并优化了内部网络，同时降低了质量传递阻力。MXene的整合进一步赋予了水凝胶快速的光热响应性，加速了水分传输和热诱导收缩。此外，WNM水凝胶还具有强大的自粘性、优异的生物相容性和高效的止血性能。当加载环丙沙星（CIP）时，该系统可以按需释放抗生素，提供持续的抗菌保护。通过及时且充分地提供热机械应力来平衡伤口微环境，这种敷料有效抑制了疤痕形成并促进了功能性组织再生。因此，它为无疤痕伤口愈合提供了一种高效且可扩展的解决方案。
材料
短棉绒（聚合度DP=850）由山东银英纤维有限公司提供。1-乙基-3-甲基咪唑鎓醋酸盐（EmimAC，≥95%）由上海成洁化工有限公司生产。二氯甲烷（CH?Cl?，AR级）、丙烯酸（AA）、N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、N,N,N,N,N'-四甲基乙二胺（TEMED）、CCK-8检测试剂盒（500T）和AO/PI双染色试剂盒（500T）均购自上海麦克莱恩生化技术有限公司。N,N'-亚甲基双丙烯酰胺
WNM水凝胶的制备、表征与应用
如方案1所示，我们采用简单的一锅法成功制备了一种基于纤维素的温敏自粘性生物水凝胶，其中含有自组装的微孔通道。详细的制备过程见实验部分。该水凝胶具有优异的生物相容性、自粘性和长效抗菌活性。当应用于伤口部位时，WNM水凝胶会牢固地粘附在皮肤上；体温会使水凝胶的温度升高到其LCST以上。
结论
总之，本研究成功开发了一种基于纤维素的热敏水凝胶（WNM），可用于快速、无疤痕的伤口再生。利用WSCA的自组装特性，该水凝胶无需外部诱导即可形成定向有序的微观结构。这种结构提高了机械强度并促进了水分的快速扩散。MXene纳米片赋予水凝胶优异的光热响应性，增强了水分传输并促进了热收缩。
作者贡献声明
魏晨：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、实验研究、概念构思。
谢根坦：数据验证、监督。
栾欣欣：撰写——审稿与编辑、数据验证、实验研究。
朱宝龙：监督工作、资源协调。
潘丽霞：数据验证、软件使用。
谢东：撰写——审稿与编辑、监督。
王立新：撰写——原始草稿、监督。
张旭卓：撰写——审稿与编辑、监督。
黄超兴：撰写——审稿与编辑、数据验证。
利益冲突声明
作者声明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
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：2478213）、山东省自然科学基金（编号：ZR2024MC175）以及山东省高校优秀青年创新团队（编号：2023KJC016）的财政支持。
