《Acta Biomaterialia》：Multifunctional bioactive peptide-laden and adhesion-switchable dual-crosslinked hydrogel for accelerated healing of infected deep burn wounds
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感染性深 burns需通过智能水凝胶（AMP@GPQCD）实现抗菌、抗氧化、抗炎和促血管生成协同作用。该水凝胶采用双重动态交联（酚硼酸酯键和UV聚合），响应酸性、ROS和葡萄糖环境，分别触发AMP释放、QKMA激活和无痛移除。体内验证显示其促进胶原重塑，抑制纤维化，加速伤口愈合。
杜克汉|齐丽娅|任海燕|杨成奎|索慧楠|侯丹丹|杨卓然|江浩|朱金涛
中国华中科技大学化学与化学工程学院生物材料与医用防护材料工程研究中心，武汉430074
摘要
感染的深度烧伤伤口由于微生物入侵、持续炎症、组织再生受阻以及随后形成的疤痕而成为严重的临床挑战。为了解决这些问题，我们开发了一种具有刺激响应性和按需可移除特性的水凝胶敷料（AMP@GPQCD），该敷料具有可注射性，并具备抗菌、抗氧化、抗炎和促进血管生成的能力，能够全面管理深度烧伤伤口。AMP@GPQCD水凝胶由苯硼酸修饰的明胶甲基丙烯酸酯（GelMA-PBA）、儿茶酚修饰的壳聚糖（CS-DA）、乙烯基末端的VEGF模拟肽（QKMA）以及超短抗菌脂肽（AMP，C12-RFKFRF-NH2）组成。这种双交联GPQCD水凝胶通过GelMA-PBA与CS-DA之间的动态苯硼酸酯键以及GelMA和QKMA的紫外光引发聚合反应制备而成。感染伤口处的酸性及氧化微环境会触发苯硼酸酯键的解离，从而快速释放封装的AMP。值得注意的是，通过使用葡萄糖溶液与CS-DA上的儿茶酚基团竞争结合苯硼酸，可以实现敷料的按需无痛移除。体内研究表明，该敷料通过止血、抗菌、抗氧化、抗炎、促进血管生成和组织再生作用，显著促进了烧伤伤口的愈合，形成了更健康的胶原网络，减少了纤维化的倾向。本研究为感染的深度烧伤伤口提供了一种创新的治疗方案。
重要性声明
我们构建了一种具有多重刺激响应性的双交联智能水凝胶（AMP@GPQCD）。在酸性pH值和高活性氧（ROS）条件下，AMP@GPQCD水凝胶中的动态硼酸酯网络能够快速释放超短抗菌脂肽并清除多余的ROS，同时有效诱导巨噬细胞极化为M2表型，从而实现全面的抗感染和炎症调节。AMP@GPQCD水凝胶还通过共价接枝的VEGF模拟肽持续促进成纤维细胞增殖/迁移和血管生成，增强胶原重塑，减少纤维化倾向。此外，这种对葡萄糖有响应性的AMP@GPQCD水凝胶可以按需无痛移除，避免对伤口造成二次损伤。
引言
烧伤伤口是全球最常见的皮肤损伤类型之一，通常需要长期医疗干预，给医疗系统带来巨大负担[1,2]。与表浅伤口不同，深度烧伤伤口通常会延伸至网状真皮甚至皮下组织，常伴随严重的细菌感染、氧化应激增加、组织坏死，导致修复过程缓慢、瘢痕形成过度、败血症甚至死亡[[3], [4], [5]]。虽然系统性抗生素和被动敷料是标准治疗方法，但其效果受限于局部生物利用度低、多重耐药病原体的出现以及无法与不断变化的伤口环境动态互动。因此，迫切需要能够主动调节有害伤口微环境、协调愈合过程的高级敷料。
传统上，抗生素被用于治疗烧伤伤口感染，但大面积烧伤患者的感染相关死亡率仍高达40%以上，这可能是由于耐药细菌引起的反复感染和持续炎症[6,7]。为应对这一挑战，抗菌肽（AMPs）因其广谱抗菌活性和较低的耐药性倾向而成为有前景的候选物质[8]。在之前的研究中，具有交替亲水疏水残基的短肽在体外和体内均表现出强大的杀菌活性[9,10]。在本研究中，我们设计了一种更短的阳离子序列“RFKFRF”（精氨酸，R；苯丙氨酸，F），以增强与带负电荷细菌膜的静电相互作用。该序列的N端进一步引入了月桂酸（C12）链，以提高疏水性，从而增强抗菌效果和稳定性[11,12]。此外，富含精氨酸的肽还具有免疫调节和抗炎特性[[13], [14], [15]]。因此，C12-RFKFRF-NH2可作为烧伤伤口治疗的多功能剂。将生物活性肽装载到水凝胶敷料中以实现局部和持续释放已得到广泛研究[16,17]，但现有许多平台功能固定，缺乏实时感知和响应特定病理信号的能力，或者仅针对复杂伤口环境的一个方面（如感染）[18]。
最近，含有动态共价键的可注射水凝胶敷料受到广泛关注，因为它们能够适应复杂且不规则的伤口表面，从而加速愈合过程[[19], [20], [21]]。在可注射水凝胶中使用的各种动态共价键中，硼酸酯键特别具有多功能性。与pH响应性强的Schiff碱键（但在生理条件下不稳定）或对氧化有响应但缺乏pH敏感性的二硫键不同，硼酸酯键结合了多重刺激响应性[23]。这种键在感染伤口的酸性环境中发生水解，在高活性氧（ROS）存在下发生氧化和断裂反应，在葡萄糖或其他二醇存在下发生配体交换反应[24,25]。这种内在的化学多样性使单一动态键能够同时感知多种病理信号（酸性、氧化应激和高葡萄糖水平），并按需释放药物或实现无痛移除敷料[26]。然而，以往基于硼酸酯的动态系统主要侧重于展示其对单一刺激的响应性，未能充分发挥其功能整合潜力。此外，这些系统常常牺牲机械强度以换取响应性，严重限制了其在烧伤伤口中的实际应用。
在本研究中，我们开发了一种具有刺激响应性和按需可移除特性的水凝胶敷料（AMP@GPQCD），该敷料能够协同并主动协调伤口愈合过程，加速感染烧伤的愈合。这种可注射水凝胶由苯硼酸修饰的明胶甲基丙烯酸酯（GelMA-PBA）、二氢咖啡酸修饰的壳聚糖（CS-DA）、乙烯基末端的VEGF模拟肽（QKMA，MA-KLTWQELYQLKYKGI-NH2）以及抗菌和抗炎脂肽（AMP，C12-RFKFRF-NH2）组成。CS具有止血、成膜和轻微抗菌特性[27]。引入的儿茶酚基团通过多种作用力（氢键、π-π堆积、金属配位）提供强而快速的湿润组织粘附力，这对不规则烧伤伤口至关重要[28]。儿茶酚是一种抗氧化剂，可通过与活性氧物质反应消除生成的活性氧，有效缓解炎症[[29], [30], [31]]。明胶具有良好的细胞亲和性和生物降解性[32,33]。引入的苯硼酸基团可与CS-DA的儿茶酚形成动态且可逆的硼酸酯键，构成响应性初级网络[34]。此外，明胶在甲基丙烯酸化后可通过光聚合形成共价结构，为动态硼酸酯键系统提供辅助稳定网络，并增强水凝胶的机械强度[35]。GelMA-PBA与QKMA的光聚合还延长了生物活性肽的释放时间，使其持续作用于愈合过程，并促进封装的AMP的控释（图1a）。感染伤口中的高ROS水平会导致苯硼酸酯键断裂，进而破坏初级交联网络[36]，加速AMP释放和VEGF模拟肽QKMA的释放，有效控制感染、调节炎症并促进血管生成。此外，由于葡萄糖与苯硼酸之间的高结合常数，可以使用葡萄糖溶液轻松实现敷料的按需无痛移除（图1b）。该水凝胶敷料能有效应对深度烧伤伤口愈合的所有关键挑战，包括细菌定植、ROS过度积累、细胞凋亡增加、血管生成受阻、持续的炎症以及敷料移除造成的二次损伤（图1c）。
伦理声明
所有实验动物均在标准光照/黑暗周期条件下饲养，并遵循华中科技大学同济医学院动物护理和使用委员会的指导方针进行（批准编号：[2024] IACUC编号：4686）。
细菌菌株、细胞培养和动物
本研究使用的大肠杆菌（E. coli，ATCC 8739）和金黄色葡萄球菌（S. aureus，ATCC 6538）来自美国典型菌库。
GelMA-PBA和CS-DA的合成与表征
图2a展示了GelMA-PBA和CS-DA的合成路线。GelMA的合成方法参考了先前的研究[37,38]。随后，分别将3-氨基苯硼酸和二氢咖啡酸通过酰胺反应接枝到GelMA和CS上。通过质子核磁共振（1H NMR）、紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱和傅里叶变换红外（FTIR）光谱确认了GelMA-PBA和CS-DA的成功合成。图S1a显示了...
讨论
感染深度烧伤伤口的管理仍然是一个临床挑战，主要原因是细菌定植、持续的氧化应激和炎症、血管生成受阻以及随后的疤痕形成。目前临床使用的先进敷料（如泡沫敷料、水凝胶、含银敷料和海藻酸盐敷料）主要提供被动或半主动保护。尽管含银敷料具有强大的抗菌效果，但可能具有潜在的细胞毒性...
结论
总结来说，我们开发了一种多功能、负载生物活性肽的双交联水凝胶（AMP@GPQCD），其粘附特性可切换。与传统敷料或单一功能响应材料不同，该系统通过动态响应病理微环境来协调整个伤口愈合过程。在初始止血阶段，GelMA-PBA的苯硼酸基团和...
CRediT作者贡献声明
杜克汉：撰写 - 原始草案、研究、数据管理、方法学。齐丽娅：研究、数据管理。任海燕：概念构思、方法学。杨成奎：方法学。索慧楠：方法学。侯丹丹：项目管理、资金获取、概念构思。杨卓然：概念构思、研究、方法学。江浩：撰写 - 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。朱金涛：撰写 - 审稿与...
数据可用性
作者声明，本文及补充信息中的所有数据均可向相应作者索取。
CRediT作者贡献声明
杜克汉：撰写 – 原始草案、方法学、研究、数据管理。齐丽娅：研究、数据管理。任海燕：方法学。杨成奎：方法学。索慧楠：方法学。侯丹丹：项目管理、资金获取、概念构思。杨卓然：方法学、研究、概念构思。江浩：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。朱金涛：撰写 – 审稿与编辑、资金
