抗皮肤伤口纤维化结疤的仿生智能基质的构建及应用

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皮肤是人体最大的器官,它是机体抵御外界环境损伤的第一道屏障,在维持生命体稳态与健康方面发挥着重要作用。创(烧)伤是最普遍的皮肤损伤,也是全球第四大常见的机体损伤。然而迄今为止,皮肤伤口的有效治疗及其组织再生仍是世界范围内挑战性的公共健康问题。随着研究者们逐渐对伤口愈合分子生物学机制的深入理解以及对先进材料和技术的应用,近年来由严重创(烧)伤导致的死亡率和治愈率发生了明显的改观。但不幸的是,伤口愈合后产生的不可逆性皮肤纤维化结疤问题却严重影响着病患的生理和心理健康,同时也是生物医学和组织工程再生领域面临的巨大临床挑战之一。本论文从伤口愈合的分子机制及影响创(烧)伤皮肤纤维化结疤的关键因素为出发点,通过仿生手段来设计伤口敷料,进而解决严重伤口造成的纤维化结疤问题。针对烧伤皮肤后,固有的氧化应激是皮肤纤维化结疤的主要因素,受体内抗氧化防御体系的启发,设计制备了一种多维度的细胞内、细胞外及细胞膜活性氧(ROS)清除的可注射抗氧化防御水凝胶基质,并将其应用于深Ⅱ度烧伤伤口中进行抗皮肤纤维化结疤修复。针对创面伤口的分子愈合机制,受胎儿伤口无疤愈合启示,设计制备了一种模拟胎儿皮肤特性的可穿戴仿生膜,并将其应用于大面积全层皮肤切除的小鼠创面上进行抗皮肤纤维化结疤修复。主要研究结果如下:(1)仿酶控释的抗纤维化活性分子包载体的构建及性能:维生素E(VE)是体内天然的抗纤维化生物活性分子,以类似于酶作用机制的β-环糊精(β-CD)为基础,采用乙二胺、长链聚醚胺和芳香胺(多巴胺,DA)对β-CD主面6位羟基进行单取代修饰,得到四类β-CD胺基化衍生物主体分子,并将其分别对VE进行主客体分子识别,得到不同类型的主客体包结物β-CD/VE、β-CD-6-EDA/VE、β-CD-6-D400/VE、β-CD-6-D2000/VE和β-CD-6-DA/VE。当包结物主体分子物质的量相同时,其对VE的包封率顺序为β-CD-6-D2000>β-CD-6-DA>β-CD-6-D400/VE>>β-CD-6-EDA>β-CD。此外,相比于β-CD对VE的2:1主客体包结比来说,β-CD-6-D2000/VE和β-CD-6-DA/VE的主客体包结比达到了1:1,加倍地提升了对VE的包封效率。进一步地,β-CD-6-D2000/VE和β-CD-6-DA/VE包结物显示了35℃的温度响应性可控释放、自然条件下的持久稳定性和优异的细胞内外活性氧清除效率。(2)可注射的仿生抗氧化防御水凝胶(MICH)基质的构建及性能:烧伤后氧化应激是皮肤纤维化结疤的关键因素,受体内细胞抗氧化防御体系启发,以透明质酸(HA)为细胞信号传导介质、VE为小分子抗氧化剂、多巴胺酚-Fe3+配位复合物为人工“Fe-SOD”模拟物,通过化学接枝、主-客体相互作用和金属配位交联制备MICH基质。该MICH基质具有原位瞬间成胶的可注射性能、对氧化应激病灶敏感的pH刺激响应(p H~6.0或7.4)性能以及凝胶强度可调的应力刺激响应性能。以体外化学反应为抗氧化模型,MICH基质展示出了几乎100%的O2×-、×OH、DPPH×和ABTS×+清除活性;以H2O2诱导的NIH3T3成纤维细胞为氧化应激模型,MICH基质呈现出了浓度正相关的氧化应激防御性能。当MICH基质的浓度为600μg m L-1时,其表现出几乎100%的细胞内和细胞膜ROS清除活力。与此同时,MICH基质上调了细胞内源性抗氧化酶SOD、CAT和GSH-Px的蛋白活力,抑制了细胞凋亡,维持并修复损伤细胞到正常的细胞活性和形态。(3)MICH基质对小鼠深Ⅱ度烧伤伤口的干预治疗效果:通过控制温度,成功构建了深Ⅱ度皮肤烧伤氧化应激模型,将MICH基质原位注射于烧伤伤口上。结果发现,MICH基质迅速与周围创面组织结合,为烧伤组织提供了所需的水合和细胞外基质微环境,减少组织坏死;进一步地,MICH基质将伤口组织内黄嘌呤氧化酶(XO)和丙二醛(MDA)活性水平几乎抑制到了健康小鼠的水平,极大地降低了烧伤诱导的氧化应激损伤和炎症反应,并促进了伤口组织的再上皮化和新生血管生成。伤口重塑组织的病理切片显示,MICH介导修复的真皮中主要合成了III型胶原纤维及较少的I型胶原纤维,且胶原纤维构架与健康组织相似。组织病理评估揭示了MICH基质抵抗了烧伤皮肤的纤维化结疤,获得了良好的皮肤组织再生。(4)模拟胎儿皮肤特性的可穿戴仿生膜(WBMF)的构建和性能,及其创面伤口抗纤维化治疗效果:受孕早期胎儿伤口无疤愈合特征启示,通过化学接枝和主客体相互作用将细胞因子调控器透明质酸(HA)和抗纤维化的VE引入聚合物体系中,然后通过氢键和π-π堆积相互作用构建适应皮肤各向异性张力、持久保湿及可穿戴的生物活性仿生膜(WBMF)。该WBMF以20.87±8.30 kPa的粘附强度无缝粘附在皮肤上,为伤口提供封闭环境,从而为伤口创造了无菌、生理低氧压、快速止血的生理条件。WBMF的断裂伸长率为473±25%,拉伸模量为0.72±0.03 MPa,迟滞应变能密度损失为1.79 kJ m-3,这些机械性能参数匹配了正常皮肤的各向异性拉伸张力及高循环的抗疲劳性能,从而为伤口提供了持久保护,减少伤口发生继发性损伤。此外,WBMF在37°C和50%的相对湿度下,展示了长时间的水持有率,为伤口组织提供了必要的水和微环境。如此,WBMF的特有物理特性及组成成分为伤口组织提供了类似于胎儿皮肤的生理情形及胎儿细胞外基质。在大面积小鼠全层皮肤外切口损伤模型中,WBMF抑制了炎性细胞数量、TNF-α活性水平及TGF-β1活性水平,进而减缓了伤口炎症反应。与此同时,WBMF刺激诱导了低氧压调控的VEGF表达,促进了伤口肉芽组织血管化。在组织形成期,WBMF促进了角化细胞和成纤维细胞迁移,进而加速了伤口表皮闭合。重要的是,在伤口愈合中、后期,WBMF抑制了促纤维化细胞因子TGF-β1活性及调控了肌成纤维母细胞的分化和凋亡。在组织重塑期,WBMF介导的真皮伤口组织中胶原纤维合成减少且分布均一、胶原纤维构架呈正常网状晶格表型并获得了无疤的伤口愈合外观。本论文的研究工作表明通过仿生策略设计的具有治疗针对性的智能基质能够有效地改善创(烧)伤口愈合以及抗皮肤纤维化结疤,开发的材料具有潜在的应用前景,同时对材料科学及生物医学领域具有一定的指导和借鉴意义。
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