细菌纤维素基多功能纳米复合水凝胶的构建及其用于伤口修复研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:RockyZhang111
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皮肤伤口的延迟愈合或难以愈合严重地威胁着患者的生命健康,并成为社会医疗系统的一个重要挑战。本论文针对皮肤伤口容易感染、不易愈合等问题,开发了两种新型的基于细菌纤维素(BC)的多功能纳米复合水凝胶敷料,包括硒纳米颗粒修饰的多功能水凝胶敷料,以及MXene(Ti3C2Tx)负载的电活性水凝胶敷料,并提出了一种将电活性水凝胶敷料与电刺激耦合协同促进伤口愈合的方法。本论文主要围绕BC基多功能纳米复合水凝胶的构建及其在伤口治疗方面应用开展了以下研究:(1)多功能载硒细菌纤维素/明胶纳米复合水凝胶的制备、表征及体外生物学评价。采用物理浸润及原位合成的方法构建了一系列多功能载硒细菌纤维素/明胶(BC/Gel/Se NPs)纳米复合水凝胶。对水凝胶的结构及理化性能进行表征,结果显示,所有不同Se NPs含量的BC/Gel/Se NPs纳米复合水凝胶均具有相互连通的三维网络结构。所合成的纳米复合水凝胶具有良好的机械性能,优异的溶胀性、可降解性、抗氧化性能,以及Se NPs的缓慢、稳定、可持续释放特性。其中BC/Gel/Se NPs-30纳米复合水凝胶在24 h内的DPPH自由基清除率可达70.30%,且该水凝胶在PBS中浸泡3天后的Se NPs释放率仅为20.40%。抗菌结果表明,BC/Gel/Se NPs纳米复合水凝胶对普通细菌(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)及其对应的多药耐药菌均表现出Se NPs含量依赖性的抗菌活性,且对多药耐药菌的抗菌效果更为显著。其中BC/Gel/Se NPs-30纳米复合水凝胶对多药耐药大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌率可分别高达99.73%与99.81%。溶血测试与细胞实验结果表明,所合成的纳米复合水凝胶均具有良好的血液相容性,且BC/Gel/Se NPs-30水凝胶表现出最好的生物相容性。以上结果表明了该水凝胶有望成为一种兼具抗菌、抗氧化性能及生物活性的新型伤口敷料。(2)多功能载硒细菌纤维素/明胶纳米复合水凝胶用于伤口修复评价。通过构建大鼠的全皮层损伤模型,评价了所优化的BC/Gel/Se NPs-30纳米复合水凝胶作为潜在的伤口敷料的有效性与可行性。结果表明,与纱布,纯BC和BC/Gel水凝胶相比,该BC/Gel/Se NPs纳米复合水凝胶能够明显地减轻伤口的炎症反应,减小伤口的面积,促进肉芽组织的形成,胶原蛋白的沉积,血管的再生,以及成纤维细胞的激活并向成肌纤维细胞分化,从而显示出最佳的抗炎性能及伤口修复效果。因此,本论文开发的这种兼具抗菌、抗氧化、抗炎功能,以及生物活性的BC/Gel/Se NPs纳米复合水凝胶有望作为多功能伤口敷料应用于临床,以预防伤口感染并加速伤口愈合与组织再生。(3)电活性再生细菌纤维素/MXene(Ti2C3Tx)纳米复合水凝胶的构建、表征及其生物相容性评价。采用化学、物理双交联的方法构建了一系列新型的电活性再生细菌纤维素/MXene(r BC/MXene)纳米复合水凝胶。对r BC/MXene纳米复合水凝胶的结构、理化性质进行表征,结果显示,所制备的纳米复合水凝胶均具有不对称的双层结构,即相对致密的表皮层及互相连通的内部三维多孔层。MXene的掺入提高了r BC/MXene纳米复合水凝胶的机械性能、热稳定性以及电活性。其中,r BC/MXene-2%纳米复合水凝胶表现出最好的热稳定性及电活性,并且具有良好的柔性、压缩可恢复性能,优异的亲水性、吸水能力及可降解性能。溶血实验与细胞实验结果表明,所制备的r BC/MXene纳米复合水凝胶均具有良好的血液相容性。并且,与纯的r BC水凝胶相比,MXene的掺入提高了纳米复合水凝胶的细胞相容性,其中,r BC/MXene-2%纳米复合水凝胶能够更好地促进NIH3T3细胞在材料上的粘附,铺展及增殖。因此,该水凝胶有望用作潜在的电活性伤口敷料以促进伤口愈合。(4)电活性再生细菌纤维素/MXene(Ti2C3Tx)纳米复合水凝胶与电刺激耦合用于伤口修复研究。通过创建大鼠的全皮层损伤模型,评价了电活性r BC/MXene-2%纳米复合水凝胶及其与电刺激(ES)耦合对伤口愈合的作用。结果表明,与商业的TegadermTM膜相比,该r BC/MXene纳米复合水凝胶在大鼠的全皮层伤口模型中表现出较好的伤口治疗效果。进一步地,电刺激结果表明,与未施加电刺激的r BC/MXene水凝胶组相比,该电活性r BC/MXene纳米复合水凝胶与电刺激耦合能够明显地提高体外NIH3T3细胞的增殖活力,并且能够通过上调血管内皮生长因子(VEGF),转化生长因子(TGF-β)和表皮生长因子(EGF)的基因表达,进一步地促进伤口的收缩,胶原蛋白的合成,血管的再生,肉芽组织的形成以及再上皮化,从而能够更快地促进皮肤伤口的主动愈合。因此,本文中所构建的电活性r BC/MXene纳米复合水凝胶在伤口敷料方面具有很大的应用潜力,并且,将该电活性水凝胶与电刺激耦合用于伤口治疗,为临床上加快伤口的主动愈合提供一种有效的协同治疗策略。
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