皮膚是人體重要的屏障，能防止外界危害和微生物入侵，同時調節生理平衡。然而，皮膚容易受到手術、燒傷和創傷等傷害，導致組織損傷。皮膚修復過程包括止血、炎癥、增殖和重塑四個階段，開放性傷口在修復過程中難以止血，容易被細菌定植，引發炎癥并產生大量活性氧，導致傷口難以愈合。傳統敷料如紗布、棉紗和繃帶在管理傷口微環境方面能力不足，缺乏有效的藥物控釋、活性氧清除和抗菌性能，難以滿足復雜皮膚修復需求。水凝膠緊密模仿細胞外矩陣，且其械性能和三維多孔的結構，成為了傷口管理的有效解決方案。目前主流的水凝膠敷料相比于傳統敷料有了極大的進步，但在單一水凝膠中設計多種功能仍面臨重大挑戰，包括復雜的制備、低協同效率和有限的時空控制，這限制了其在先進生物醫學領域的應用。

川大華西第二醫院李一飛教授團隊，云南大學屈慶，胡廣志教授團隊，不列顛哥倫比亞大學Orlando J. Rojas教授團隊受到海星的結構和行為特征啟發，成功地將多種功能整合到一種專為復雜傷口管理而設計的水凝膠敷料中。通過引入動態共價鍵（如席夫堿和硼酸酯鍵），使水凝膠能夠感知傷口微環境的變化，實現藥物的可控釋放。同時，利用多巴胺修飾的纖維素納米纖維等材料，賦予水凝膠良好的粘附性和機械性能。對大鼠全層傷口模型的體內測試顯示，第13天的治愈率為100%，明顯優于商業替代品。這種水凝膠的無毒和先進的愈合能力使其成為具有關鍵愈合需求的患者的一種有前途的解決方案，提供了自然生物過程和尖端工程的全面集成。該工作以“Starfish-Inspired Synergistic Reinforced Hydrogel Wound Dressing: Dual Responsiveness and Enhanced Bioactive Compound Delivery for Advanced Skin Regeneration and Management“為名，發表在2025年的《ACS Nano》上。

【制備工藝】

1.DA-TCNF的合成：通過TEMPO介導的氧化從未干燥的樺木纖維中制備TEMPO氧化纖維素納米纖維(TCNF)，隨后將1.0 wt%的TCNF溶解在300 mL去離子水中。加入1.0 g 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)和1.0 g N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，攪拌30分鐘。然后加入0.95 g鹽酸多巴胺，在室溫下氮氣氛圍中攪拌24小時。離心后用去離子水反復洗滌，凍干72小時得到DA-TCNF。

2.POD的合成：將6.34 g亞硝酸鈉和10.0 g葡聚糖混合在250 mL蒸餾水中，37℃攪拌10小時得到氧化葡聚糖。隨后加入20 mL乙二醇終止反應，透析并凍干。將5.0 g氧化葡聚糖和1.5 g 3-氨基苯硼酸在100 mL蒸餾水中攪拌12小時，透析并凍干得到POD。

3.水凝膠的制備：將DA-TCNF、POD這兩種組分以特定的重量比加入到100 mL蒸餾水中，并攪拌直至完全溶解。接下來，向混合物中依次加入殼聚糖和PVA。對于載藥水凝膠，將3.0、4.0、1.5和1.5重量%的POD、DA-TCNF、PVA和殼聚糖溶解在100 mL蒸餾水中。隨后，通過溫和攪拌將4.27 g芒果苷和2.48 g維生素C與上述混合物混合24小時。之后，獲得載有藥物的水凝膠并保存在密封容器中用于進一步研究。

【文章亮點】

1.仿生設計：模仿海星的再生能力和防御機制，設計出一種多功能水凝膠敷料。通過引入動態共價鍵（如席夫堿和硼酸酯鍵），使水凝膠能夠感知傷口微環境的變化，實現藥物的可控釋放。同時，利用多巴胺修飾的纖維素納米纖維等材料，賦予水凝膠良好的粘附性和機械性能。

2.多功能集成：水凝膠具有良好的流動性和可塑性，具有可注射和3D打印性能，水凝膠中的兒茶酚基團以及芒果苷、維生素C賦予其抗菌和抗氧化功能，多巴胺修飾的纖維素納米纖維使其具有較好的粘附性能且動態共價鍵讓其能夠自修復，多種功能使其克服了傳統水凝膠的局限性，能夠有效的減輕炎癥促進組織再生。

3.雙響應藥物釋放：水凝膠對pH和ROS具有雙重響應性，能夠在酸性和富含ROS的環境中實現藥物的可控釋放，這種智能釋放系統能夠根據傷口的炎癥程度和氧化應激水平，精準地釋放芒果苷和維生素C等生物活性物質，有效減輕炎癥和促進組織再生。

圖1：水凝膠的合成方案和示意圖

圖2：水凝膠的粘附測試

圖3：水凝膠的物理和機械性能

圖4：水凝膠的藥物釋放

圖5：水凝膠的3D打印性能

圖6：水凝膠的多功能性能測試

圖7：體內傷口愈合性能和組織學分析

圖8：體內抗炎性能和新生血管形成分析

參考文獻：

Starfish-Inspired Synergistic Reinforced Hydrogel Wound Dressing: Dual Responsiveness and Enhanced Bioactive Compound Delivery for Advanced Skin Regeneration and Management. Hong, G.Li, J.Wei, W.Wu, Y.Li, L.Chen, Y.Xie, D. Qu, Q.Rojas, O. J.Hu, G.Li, Y.Guo, J. ACS Nano 2025, 19 (10), 10180-10198.

文章鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17291

來源：生物醫用材料進展