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可注射型纳米纤维/水凝胶多功能复合敷料的制备及其性能研究

仇威王  
【摘要】:皮肤是人体最大的器官,它提供了抵御外界环境的重要屏障。伤口通常定义为发生在皮肤、结缔组织或黏膜内的损伤,可能会导致器官的结构或功能出现缺陷。伤口一般分为急性和慢性伤口两种主要类型。其中,慢性伤口由于其高发病率及致死率而引发了全社会的高度关注。慢性伤口包括感染性伤口、压力性溃疡、烧伤及糖尿病足等。设计制备有效应对慢性伤口修复的伤口敷料,是新型生物材料开发的重要趋势。理想的伤口敷料要求其具有以下特性:(1)保持伤口环境中的水分,同时吸收多余的液体和渗出物;(2)允许气体传输;(3)提供屏障以保护伤口免受外部创伤,同时防止微生物入侵;(4)易于移除或具有可生物降解特性,以避免在移除过程中对新生组织造成损害。基于上述要求,本课题选取了水凝胶作为敷料主体材料并研究制备了一系列多功能复合敷料。本课题所设计的水凝胶复合敷料具备生物相容性、生物降解性、粘附性、导电性,以及止血、抗菌和促血管生成特性等多种功能,对慢性伤口修复具有很大的潜力。本论文的研究工作主要包括以下几个方面:大多数慢性伤口的形成与细菌生物膜的感染有关。由于细菌耐药性的阻碍,普通的抗菌剂很难彻底根除成熟的细菌生物膜。基于上述情况,本课题研究并合成了基于可识别细菌生物膜型多肽修饰的多糖基可注射水凝胶敷料,用于细菌生物膜的去除和感染型慢性伤口的修复。首先,本课题成功将肽聚糖中的多肽片段(丙氨酸-谷氨酸-赖氨酸-丙氨酸)接枝到季铵化羧甲基壳聚糖(HTCC)中。随后,由经多肽修饰的季铵化羧甲基壳聚糖(HTCC-P)和氧化葡聚糖(OD)交联合成了可注射水凝胶敷料(HTCC-P/OD),其中,水凝胶敷料中的季铵盐基团在识别肽的作用下,可以有效穿透细菌细胞壁和细胞膜,以达到杀灭细菌的目的。研究表明,阳离子季铵盐基团在多肽的识别作用下,显著增强了对细菌生物膜的渗透性,有效提高了水凝胶敷料抗菌及破坏细菌生物膜的性能。同时,分别评价了HTCC-P/OD水凝胶敷料对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌的抗菌性能,结果表明,HTCC-P/OD水凝胶敷料具有广谱抗菌性能,且对四种菌株的抗菌率均大于99%。此外,通过席夫碱动态交联制备的HTCC-P/OD可注射水凝胶具有优异的自修复特性,可以完全覆盖形状不规则的伤口。细胞毒性和体内伤口修复研究证实了HTCCP/OD水凝胶敷料良好的生物相容性和加速组织重建、促进伤口修复的能力。综上所述,多肽修饰的水凝胶敷料在慢性感染伤口组织缺损修复中表现出优异的抗菌性能,有望成为生物医学领域具有竞争力的抗菌敷料。可注射型水凝胶因其机械性能较差而严重阻碍了其在组织工程等领域的应用。本课题通过将纳米纤维与水凝胶复合的方式构建纳米纤维增强型可注射水凝胶复合敷料(NFRH),有效改善了可注射水凝胶敷料机械性能不足的问题。研究表明,通过将纳米纤维载入水凝胶中,能够提高水凝胶的稳定性和机械强度。经多肽修饰的纳米纤维载入水凝胶后,复合敷料不仅保留了多肽的抗菌和止血性能,还可以诱导血细胞和血小板聚集以快速止血,有效抑制伤口处细菌感染,最终加速慢性伤口愈合。此外,NFRH水凝胶采用席夫碱动态交联的方式制备而成,其可注射性能和自修复性质能够令水凝胶敷料具有适应深层不规则伤口形状的能力,并有效延长其使用寿命。综上,NFRH水凝胶敷料具有成为治疗慢性伤口修复的多功能新型敷料的潜力。压力性溃疡作为高发性慢性伤口,对患者尤其是老年人群体,造成了严重的经济负担。预防压疮的发生及对慢性创面的治疗是现阶段亟待解决的问题。本课题在延续前面研究中纳米纤维/水凝胶复合敷料的基础上,将水凝胶中无序分散的纳米纤维改变成取向排列的纳米纤维纱(NFY),设计并制备了具有导电、粘附、抗菌和诱导L929成纤维细胞定向排列等特征的3D复合敷料,用于监测和修复慢性伤口。其中,取向排列的NFY网络由聚丙烯腈(PAN)和还原氧化石墨烯(r GO)混纺制备的纳米纤维纱线经过编织构建而成。研究表明,取向排列的NFY显示出有效诱导L929成纤维细胞伸长和取向的能力,通过调控NFY的排列方向能有效控制L929成纤维细胞在纱线表面的铺展方向。通过将纳米纤维纱线(NFY)网络预载到可注射水凝胶中,以席夫碱交联的方式制备3D复合敷料。NFY网络外部的可注射水凝胶不仅能为NFY表面的L929成纤维细胞提供保护,同时还能模仿天然细胞外基质(ECM),为L929成纤维细胞增殖和排列提供合适的3D微环境。此外,通过在水凝胶复合敷料中添加金属离子,赋予了水凝胶复合敷料出色的导电性能,使水凝胶复合敷料具备柔性应变传感器的潜力,以准确监测伤口处压力变化。本课题所制备的纳米纤维纱线(NFY)网络/可注射水凝胶3D复合敷料显示出良好的生物相容性、自修复特性和抗菌性能,在生物医用领域,特别是在组织工程和可穿戴电子产品中显示出广泛的应用前景。


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