《International Journal of Biological Macromolecules》：Photothermally sterilizable hydrogel patch for accelerated burn wound healing
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水凝胶敷料通过动态交联和CuS纳米粒子协同作用调控烧伤创面免疫微环境，抑制过度炎症并促进M2型巨噬细胞极化，同时具有光热抗菌特性，加速伤口愈合。
郭云婷|张新丽|班晓燕|郭莉莉|崔亚婷|胡志通|王一凡|姜超瑞|严行健|于正雷|徐泽洲|任卢全
东北林业大学机械与电气工程学院，哈尔滨，150042，中国
摘要
烧伤伤口愈合的失败从根本上是由多种因素共同作用导致的，包括过度的炎症反应、氧化应激、感染引起的中性粒细胞浸润，以及至关重要的肉芽组织形成延迟。因此，开发一种具有免疫调节功能的水凝胶敷料对于优化烧伤伤口修复至关重要。为了解决这一需求，本研究开发了一种P(H-G)/O/CuS复合可注射水凝胶敷料。该系统具有内在的免疫调节和修复能力，旨在加速伤口闭合。水凝胶结构基于共聚物骨架网络，通过Schiff碱键实现动态交联，这些键将均匀分散的CuS纳米颗粒（CuS NPs）包裹其中。这些材料具有优异的机械强度、良好的伤口适应性以及适度的膨胀能力，这对于持续保持水分至关重要。重要的是，P(H-G)/O/CuS系统无需任何外源性活性成分即可发挥作用。铜基成分的控释与动态交联特性相结合，调节了烧伤损伤的炎症微环境。这种双重机制抑制了过度炎症，并促使巨噬细胞向修复型M2表型极化，从而启动组织修复。此外，释放的Cu2+离子的天然抗菌活性降低了伤口感染的潜在风险。因此，这种复合材料成为临床烧伤管理的新型敷料选择。
引言
皮肤是一个关键的多功能器官和天然屏障，可以保护身体免受外部伤害，抵抗病原微生物，并调节各种生理功能[1]、[2]、[3]。皮肤损伤，尤其是烧伤，会损害皮肤的结构和功能。烧伤是最具破坏性的皮肤创伤形式之一；其严重的病理生理表现导致严重的健康风险，每年造成18万人死亡[4]、[5]、[6]。这些损伤会导致组织坏死，形成不规则的伤口边缘，并常常引起大量出血[7]、[8]、[9]。烧伤伤口内的坏死组织增加了病原细菌定植和增殖的可能性，常常引发或加剧后续的伤口感染[10]。此外，活性氧（ROS）的过度产生会加剧炎症，从而阻碍伤口愈合的及时进展[11]、[12]、[13]。这些伤口会释放大量的促炎细胞因子，激活巨噬细胞，使其保持M1表型而不是转变为具有修复能力的M2表型。过量的ROS会损害巨噬细胞的细胞器，特别是线粒体，并破坏关键的代谢重编程途径。最终，这些致病因素会延长伤口愈合时间，甚至可能导致截肢或死亡[7]、[14]、[15]。目前，感染的伤口临床管理通常依赖于机械清创和抗生素冲洗[16]。然而，机械清创费用昂贵，患者常常感到疼痛，并且有可能破坏新形成的肉芽组织。鉴于细菌的广泛耐药性，这种治疗方法在处理多重耐药（MDR）细菌（如MRSA）感染的伤口时尤其无效[17]。因此，开发新的烧伤治疗方法至关重要。
皮肤替代品最近成为烧伤治疗的核心。在这些选项中，水凝胶因其优异的材料特性而受到广泛研究。传统的替代品，如纱布和绷带，存在一些局限性。这些旧的敷料无法充分适应不规则的伤口轮廓，提供的感染控制效果不足，在更换过程中常常会对脆弱的新组织造成二次伤害[5]、[18]。最近的策略集中在开发具有特定功能的水凝胶，以克服这些障碍，例如用于肌腱应用的运动响应润滑剂或用于复杂组织界面的Janus结构[19]。相比之下，水凝胶具有多种优势：它们可以调节伤口湿度，有效吸收渗出物，并且易于简单无痛地移除。此外，它们还具有可调的机械特性、出色的生物相容性和简单的功能化[20]、[21]、[22]。尽管具有这些优点，目前大多数水凝胶仅作为生物产品的被动封装载体使用。为了获得最佳效果，理想的水凝胶必须具有内在的免疫调节特性，能够加速烧伤伤口修复[23]、[24]、[25]。
HEMA和GelMA是用于伤口治疗的水凝胶配方中的标准单体[26]。虽然HEMA具有亲水性和机械耐久性，但其固有的C
C骨架结构缺乏可水解的链接，阻碍了有效的降解。因此，这种结构限制可能导致慢性炎症和组织修复延迟[27]、[28]。通过机械训练等技术可以进一步优化这些网络的设计，以实现所需的机械性能[29]。HEMA还限制了细胞活动，包括粘附、迁移和增殖，因为它缺乏天然的细胞识别序列。此外，在烧伤损伤的情况下，其较差的天然抗菌活性增加了伤口感染和炎症的风险[30]。相比之下，GelMA保留了天然明胶的生物活性基序，如RGD序列和MMP敏感区域。这一特性促进了更好的细胞粘附，并有助于组织重塑，从而提高了整体生物相容性[31]。用PHEMA和GelMA的组合构建P(H-G)水凝胶，可以获得更好的生物相容性。然而，仍存在挑战，特别是在氧化应激环境下气体交换不良和潜在的细胞毒性[32]。因此，整合功能性成分对于提升材料性能是必要的[33]。氧化葡聚糖（ODex）是一种多糖衍生物，具有高度的生物相容性和亲水性。其强大的抗氧化特性可以清除ROS，减轻氧化应激引起的损伤，从而支持抗炎作用和组织再生[34]。此外，ODex还具有免疫调节作用，可以激活巨噬细胞和其他免疫细胞，推动伤口愈合过程[35]。这种生物活性至关重要，因为调节局部免疫环境是先进伤口敷料的关键目标，最近的研究甚至探索了用于肿瘤切除后控制等应用的原位免疫激活[36]。ODex中的醛基与GelMA的氨基反应形成可逆的Schiff碱键，从而使水凝胶具有自愈能力、可调的降解性和增强的机械强度。最后，硫化铜（CuS）具有强大的光热和抗菌特性，使其成为近红外（NIR）灭菌应用的理想候选材料。值得注意的是，酸性条件可以增强这种抗菌活性，进一步促进烧伤伤口的恢复[37]。
P(H-G)/O/CuS复合水凝胶作为一种多功能、具有免疫调节作用的烧伤伤口敷料，可以加速损伤愈合。其结构由双重网络（DN）架构定义。具体来说，由P(H-G)共聚物骨架与CuS纳米颗粒（CuS NPs）组成的刚性网络提供了抵抗患者移动时敷料失效所需的机械稳定性。水凝胶还具有一个柔性网络，利用ODex-GelMA动态交联系统。该系统通过协同的铜离子动态释放来控制伤口炎症并发挥抗菌作用，无需添加外源性活性成分（图1）。与之前报道的烧伤治疗水凝胶或复杂的干预方案相比，P(H-G)/O/CuS水凝胶以其内在的免疫调节能力、出色的机械性能和NIR/pH敏感性而脱颖而出。通过避免现有疗法的高成本和操作复杂性（如外源性细胞因子补充和干细胞移植），这种材料为临床烧伤伤口管理提供了一种非常可行的敷料解决方案。
材料
2-羟基乙基甲基丙烯酸酯（HEMA，99.0%）、明胶（Gel，99.0%）、葡聚糖（Dex，98.0%）、甲基丙烯酸（MA，99.0%）、NaIO4（98.0%）、2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基丙酮（I2959，98.0%）和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA，99.0%）由Aladdin Reagent Co.（上海，中国）提供。CuS纳米颗粒（≥99.9%，北京中科科友科技有限公司）提供。供应商提供的透射电子显微镜（TEM）图像证实了CuS纳米颗粒的纳米级形态（图S17）。
水凝胶的特性
P(H-G)/O/CuS水凝胶的合成采用了一步法技术（图1A）。当四种主要成分结合时，动态Schiff碱键立即将ODex和GelMA连接起来，从而建立了初始的聚合物网络。随后，在光引发剂I2959的存在下，P(H-G)共聚物骨架在紫外线照射下发生聚合，形成了包含均匀分散的CuS纳米颗粒的次级网络。
结论
我们成功合成了一种具有动态网络（DN）结构的P(H-G)/O/CuS复合水凝胶。该材料表现出优异的机械特性、良好的伤口适应性、出色的生物相容性和内在的抗菌功能。其抗菌效果通过NIR诱导的光热活性实现，对E.coli和S.aureus的抑制率分别为95%和98%。此外，该水凝胶还能促使巨噬细胞极化为修复型M2表型。
CRediT作者贡献声明
郭云婷：监督、项目管理、资金获取、概念构思。
张新丽：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、软件使用、实验研究、数据分析、概念构思。
班晓燕：实验研究。
郭莉莉：可视化处理。
崔亚婷：可视化处理。
胡志通：项目管理。
王一凡：实验研究。
姜超瑞：资源协调。
严行健：验证工作、软件应用。
于正雷：实验研究。
徐泽洲：
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52205310、52375289、52505313）、黑龙江省自然科学基金（YQ2024E003）、中国博士后科学基金会第74批一般资助（2023M741341）、中国博士后科学基金会博士后奖学金计划（GZB20230257）、中国博士后科学基金会第5批专项资助（2023TQ0129）以及吉林省教育厅重点项目的支持。
