通过等离子体技术对透明质酸进行绿色改性，以制备具有潜在生物医学应用价值的水凝胶

《European Polymer Journal》：Green modification of hyaluronic acid via plasma technology for the preparation of hydrogels with potential biomedical applications

　　

孙瑞瑞|陈玉杰|王小龙|李燕|王文宇|徐天傲|赵彤|刘亚迪|孙颖|张远涛

山东大学电气工程学院，中国济南250061

摘要

透明质酸（HA）的高溶解性和较差的机械强度限制了其在生物医学领域的广泛应用。尽管通过氧化引入醛基可以改善其性能，但传统的过碘酸盐氧化方法效率低下且存在环境问题。因此，我们开发了一种环保高效的冷大气等离子体（CAP）改性策略。利用同轴介质阻挡放电（DBD）装置，我们成功制备了含有醛基的等离子体改性HA（PMHA），同时降低了其分子量。在优化的放电条件下，经过两小时的等离子体处理后，醛基含量可达到约26%，且无需化学氧化剂或纯化步骤。随后，PMHA通过动态亚胺键与羧甲基壳聚糖（CMCS）和ε-聚赖氨酸（EPL）交联，形成了PMHA-CMCS/EPL水凝胶。该水凝胶具有三维网络结构，具有良好的含水量、孔隙率和膨胀能力，以及流变性能。体外实验进一步证明，载有左氟沙星（levofloxacin）的PMHA-CMCS/EPL水凝胶能有效抑制金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）。此外，该水凝胶还表现出持续的药物释放特性，在36小时内释放率约为84%。本研究提出了一种基于等离子体的绿色多糖改性方法，为制备具有潜在生物医学应用的多功能水凝胶提供了可持续的策略。

引言

透明质酸（HA）是人体细胞外基质的重要组成部分，具有显著的亲水性、保湿性和生物相容性，为生物医学应用提供了广阔前景[1]，[2]。然而，天然HA存在明显局限性：高水溶性、低机械强度和快速酶降解限制了其更广泛的应用[3]。提高HA功能性和扩展其用途的一种有前景的方法是将羟基氧化为醛基。这种改性使HA能够通过席夫碱反应与含氨基化合物交联，从而形成具有优异生物相容性的水凝胶[4]。醛基改性的HA主要通过过碘酸盐方法制备。然而，这种方法存在试剂消耗高、反应时间长和可能产生残留副产物等问题[5]，[6]。因此，建立一种环保高效的HA氧化工艺至关重要，以消除对外部氧化剂的需求并确保产品纯度。表1。表2

近年来，由于其独特的物理化学性质[7]，[8]，[9]，冷大气等离子体（CAP）在材料改性方面显示出巨大潜力。作为一种非热平衡等离子体，CAP含有丰富的高能电子和活性氧氮物种（RONS；包括·OH、H₂O₂、ONOO^–和NO），以及激发态分子，从而能够在温和条件下实现氧化[10]，[11]。与传统化学氧化方法相比，CAP具有显著优势：无需添加试剂，避免溶剂残留，并降低能耗。因此，CAP技术为材料改性提供了一种环保的方法。在各种等离子体生成技术中，介质阻挡放电（DBD）是CAP的有效来源。具体而言，在电极之间引入绝缘介质层后，可以在大气压下实现稳定放电[12]。此外，同轴DBD结构提高了放电的均匀性和处理效率，其高电压耐受性提高了活性物种的产率[13]。

值得注意的是，尽管已有大量关于其他多糖（包括壳聚糖、淀粉和纤维素）的直接CAP改性研究，但尚未有研究报道CAP直接用于HA改性或其改性效果和潜在应用[14]，[15]，[16]。在之前的工作中，Ding等人[17]通过分子动力学模拟阐明了HA的等离子体改性反应路径，而Xu等人[18]通过实验验证了等离子体处理可以将HA的羟基氧化为醛基，从而实现成功的结构改性。

因此，在本研究中，我们采用同轴DBD实现了HA的绿色高效改性，并系统地研究了其改性效果。在此基础上，将所得的等离子体改性HA（PMHA）与羧甲基壳聚糖（CMCS）和ε-聚赖氨酸（EPL）通过席夫碱反应交联，制备了水凝胶。全面评估了这些水凝胶的物理化学性质和生物相容性。最后，通过加载左氟沙星，评估了水凝胶的释放行为和抗菌性能，从而评估了其在生物医学领域的潜在应用。

章节摘录

材料

透明质酸（HA，分子量：800–1500 kDa）、羧甲基壳聚糖（CMCS，分子量：240 kDa；脱乙酰度：>90%；取代度：90%）、ε-聚赖氨酸（EPL，分子量：<5000 Da）和左氟沙星（纯度：98%）购自Maclin Biochemical Co., Ltd.（中国上海）。小鼠成纤维细胞（L929）由山东第一医科大学药学院提供（中国济南）。Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM；Gibco）和磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4）也用于实验。

等离子体诊断

像氩和氦这样的惰性气体在放电过程中化学性质稳定，反应路径简单，有利于研究等离子体诱导的HA改性。虽然纯惰性气体等离子体产生的活性气体物种较少，但通过与水分子的相互作用仍可生成大量活性物种[26]。与氦相比，氩更具成本效益，并且在活性物种的分布上更为均匀

PMHA的物理化学性质

氧化多糖中的醛基（–CHO）通常在1700–1750 cm^?1范围内呈现特征性吸收峰[28]。如图3(A)所示，PMHA在1740 cm^?1处出现一个吸收峰，这是由醛基的C=O伸缩引起的。相比之下，原始HA在该波数范围内没有此类峰。这些结果证实，等离子体处理有效地将HA的羟基氧化为醛基。

如图3(B)所示，XRD图谱显示...

结论

在本研究中，使用同轴DBD等离子体装置成功制备了醛基改性的PMHA。在优化的放电参数（18 kV、5 kHz和0.8 SLM）下，CAP处理有效地将HA的羟基氧化为醛基，同时降低了分子量。所得PMHA表现出良好的体外生物相容性，对L929细胞无显著细胞毒性，也未引起溶血。通过将PMHA与CMCS交联，制备了PMHA-CMCS/EPL水凝胶

CRediT作者贡献声明

孙瑞瑞：撰写——初稿、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。陈玉杰：撰写——初稿、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析。王小龙：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金争取。李燕：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法学设计。王文宇：数据验证、实验研究、数据分析。徐天傲：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52477146 和 52577252）的支持。