医用抗菌水凝胶怎么用浙江理工大学韩兵男教授Mater. Des.：具有增强生物黏附和自愈活性的动态双交联抗菌水凝胶用于体内外快速止血
新闻资讯2026-04-21 03:22:33
丝素蛋白（SF）作为一种天然蛋白质纤维，由于其良好的生物相容性、可调节的生物降解性和非免疫原性，在止血剂的开发中显示出巨大的应用潜力。值得一提的是，直接从丝状SF中获得的丝素蛋白微纤维（SMF）由于其不溶性和小尺寸，有助于SMF基增强生物材料的非凡性能。然而，SMF本身不具有粘附性能，并且抗菌和抗氧化等生物活性的缺乏也极大地限制了它们在生物医学领域的可用性。为了保证伤口的有效愈合，开发集抗菌、抗氧化、生物粘附、自愈等多种功能于一体的SMF基水凝胶具有广泛的临床应用意义。
研究选择富含邻苯二酚的单宁酸（TA）对SMFs进行功能化，赋予其抗氧化、抗菌和防水粘合性能。此外，为了进一步提高最终产品的可用性和通用性，选择具有良好生物相容性和机械性能的聚乙烯醇（PVA）作为基质，利用其相邻羟基与硼酸盐离子之间的动态硼酸盐二醇络合作用，构建了具有自修复性能的PB水凝胶。TA@SMF基序作为功能性填料掺入PB网络中，内聚力增强策略和动态双交联协同作用赋予TA@SMF/PB水凝胶卓越的生物粘附性和快速自修复性能。结果表明，TA@SMF/PB凝胶具有优异的延展性能（>600%），远高于天然皮肤的延展性（60-75%），即使在水中浸泡24 h也能紧密粘附在猪皮上。TA@SMF/PB水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的抑菌活性（抗菌率>85%），可有效清除>90%的DPPH•和ABTS+•自由基。除了适宜的降解速率外，TA@SMF/PB水凝胶还表现出良好的血液、细胞和组织相容性，其高达133.8±10.6%的良好溶胀性能、3.78±0.50kPa的可靠生物粘附性和固有的促凝活性（CD62P阳性血小板比率>90%），可以快速富集血细胞，捕获和激活血小板，从而促进止血。体内小鼠肝脏止血试验进一步验证了水凝胶的快速止血性能，止血时间（42.0±4.9s）和失血量（21.5±2.2mg）显著减少，这可以用物理止血网络屏障和血小板活化的协同作用来解释（Scheme 1）。这项研究提供了一个基于SMF的多功能工具包，为快速止血和感染性伤口愈合提供了有希望的候选材料。
流程图1. 基于双交联策略制备的丝素蛋白微纤维（SMF）基水凝胶及其功能示意图（图片来源：Mater. Des.）
图1. TA@SMF/PB水凝胶的理化表征（图片来源：Mater. Des.）
利用FE-SEM和EDX分析了SMFs和TA@SMFs的表面形貌和元素沉积，Cryo-SEM显示不同凝胶的孔径和孔壁粗糙度存在显著差异，含有TA@SMF的PB凝胶表现出更密集的孔隙网络。所有制备的高含水量（>80%）水凝胶在24 h后达到溶胀平衡。TA@SMF-0.5的降解率适宜，在PBS中37℃孵育14 d，残余质量为63.0±3.1%。对水凝胶进行了80%最大应变的压缩应力-应变测试，以表征其机械性能。掺入TA@SMFs（0.5~1.5）后，PB的压缩模量和强度显著提高。
图2. TA@SMF/PB水凝胶的生物粘附性能和自愈性能（图片来源：Mater. Des.）
采用搭接剪切试验和T型剥离试验测试了样品在猪皮表面的组织粘附性能。TA@SMF-0.5在潮湿环境中表现出良好的粘附稳定性，通过拉伸、弯曲和扭曲测试证实了其在浸泡24小时前后对猪皮的紧密粘附。在1%应变幅下测试了试样的储存模量和损失模量（G’和G’’），并通过流变恢复试验检测了样品的自修复行为。水凝胶的完整性在2000%高应变（G’< G’’）时被破坏，而在1%低应变（G’> G’’）时被重建。随着振荡应变的来回切换，水凝胶结构的重构和破坏发生了变化，表明其具有快速有效的自愈能力。此外，还通过原位和非原位试验可视化了TA@SMF-0.5的自愈行为。
图3. TA@SMF/PB水凝胶的抗菌和抗氧化活性（图片来源：Mater. Des.）
采用菌落平板计数法评价凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌活性。与PB相比，TA@SMF/PB组细菌菌落显著减少，抑菌率均超过85%。通过检测TA@SMF/PB对DPPH•和ABTS+•自由基的清除能力，评价其抗氧化能力。定量结果表明，未添加TA的样品对自由基的清除能力较差，而TA@SMF/PB的DPPH•清除率可达90%以上，ABTS+•清除率可达99%，与TA/PB无显著差异（P > 0.05）。
图4. TA@SMF/PB水凝胶的体外生物相容性（图片来源：Mater. Des.）
研究使用人红细胞和L929小鼠成纤维细胞来评估样品的血液相容性和细胞毒性。结果表明，样品溶血率<5%，说明符合医用材料的血液相容性要求，不会引起严重的溶血反应。在所有浓度的样品（7.5、15和30 mg/ml）中，细胞活力在24和48小时均超过80%，表明其具有良好的细胞相容性。Calcein AM/PI活/死染色荧光图像表明，用水凝胶提取物（7.5 mg/ml）处理48h后，除了TA/PB中可忽略不计的红色荧光外，几乎所有L929细胞都能正常生长（绿色）。
图5. TA@SMF/PB水凝胶的体外止血性能和凝血机理分析。（图片来源：Mater. Des.）
BCI测定和凝血时间通常用于评价不同材料的体外全血凝能力，数值越低促凝效果越好。在与血液相互作用10分钟后，SMF/PB和TA@SMF-0.5的BCI最低，分别为38.22±2.21%和40.77±2.27%（P>0.05）；残留在样品表面的血凝块及其上清液的照片显示，SMF/PB和TA@SMF-0.5呈淡红色，表明大多数血细胞凝结在这两种水凝胶上。凝血四项分析显示，样品在孵育过程中不会吸附血液中的凝血因子或引发凝血级联事件，导致凝血因子浓度降低；也不会向血液中释放物质影响凝血因子的活性。
图6. TA@SMF/PB水凝胶的血小板活化和粘附测试（图片来源：Mater. Des.）
通过流式细胞术检测与样品孵育60分钟后PRP中CD62P阳性血小板的比率（CD62P表达阳性表示血小板活化）。结果表明，在PB基质中加入SMF或TA均可诱导血小板活化，且两者具有协同作用。通过SEM观察了TA@SMF-0.5表面粘附的血小板形态，结果表明，其表面粘附的血小板较多且发生变形，延伸出许多伪足。
图7. TA@SMF/PB水凝胶的体内止血性能（图片来源：Mater. Des.）
利用小鼠肝损伤模型研究TA@SMF/PB(0.5)水凝胶在体内的止血性能。结果表明，与空白对照组相比，所有水凝胶组的止血时间都显著缩短，尤其是在TA@SMF-0.5，其止血时间和失血量仅为42.0±4.9s和21.5±2.2 mg，显著低于PB、SMF/PB和TA/PB组。
总之，该研究团队利用动态硼酸盐-二醇键和氢键双重交联策略，开发了一种具有优异生物粘附性、自修复性、抗菌性和抗氧化性能的多功能SMF基止血水凝胶。该复合水凝胶的力学、生物粘附、抗菌、抗氧化和生物相容性等性能，可以通过调节TA@SMFs的量来进行定制。物理止血网络屏障和血小板活化的协同作用，使TA@SMF/PB水凝胶展示出优异的止血性能，其止血时间和失血量仅为42.0±4.9s和21.5±2.2 mg。这种动态双交联TA@SMF/PB水凝胶不仅具有良好的抗菌和止血性能，而且保留了典型水凝胶的优点，为快速止血和感染性伤口愈合提供了一种有前景的候选者。
该工作近期发表在Materials & Design（DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112244），浙江理工大学材料科学与工程学院司冉冉博士为第一作者，浙江理工大学生命科学与医药学院韩兵男教授为通讯作者。