具有良好负载药物的高强水凝胶及其促感染伤口愈合研究

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当皮肤大面积受损或伤口长时间不愈合时,可能发生局部甚至全身的问题,如细菌感染、代谢增加、免疫系统丧失等。伤口的细菌感染是伤口愈合过程中的主要障碍,已成为越来越多严重疾病甚至死亡的原因。构建具有良好抗菌活性且能促进伤口愈合的药物递送材料至关重要。尽管目前对药物递送材料系统已经进行了广泛研究,这主要是基于掺入各种抗菌剂,包括金属离子或纳米颗粒、抗生素、阳离子聚合物和抗菌肽等。然而,药物输送材料系统的设计虽然很智能,但因为工艺复杂或安全性无法保证等原因限制了它们在临床中的应用。因此,如何使用简单成熟的工艺,在保证生物安全性的前提下通过简单的一锅式制造工艺合成药物递送材料面临着巨大的挑战。本研究中通过简单的方法,合成了一种水凝胶药物递送材料,并用于体内感染伤口的治疗。水凝胶敷料结构简单,抗菌和创面愈合性能好,临床应用前景大。本研究以丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)作为亲水性单体,分别以N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和过硫酸铵/四甲基乙二胺(APS/TEMED)作为交联剂和引发体系,在温和的条件下通过简便的自由基聚合反应合成坚韧的水凝胶(PAM-AA)。对聚合反应条件进行了优化,得到单体残留最少的水凝胶,AM和AA的未反应单体分别为0.25%和0.12%。利用万能力学试验机、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和溶胀等方法研究了水凝胶的结构和性质。水凝胶具有良好的机械强度,能有效抵抗外力的破坏,保持良好的宏观形状。它具有很强的吸水能力,并能通过氢键和静电相互作用负载多种不同类型的分子。实验中以中性强力霉素(DOX)、带正电的亚甲基蓝(MB)、罗丹明B(RB)和甲苯胺蓝(TB)以及带负电的考马斯亮蓝(CBB)为代表,证明了水凝胶对它们的有效负载和释放。负载DOX的水凝胶显示出了优异的抗菌性能,对大肠杆菌(E.coli)和耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌(MRSA)的抗菌率分别达到81.0%和94.2%。体外细胞培养实验证明,纯水凝胶和负载了DOX的水凝胶材料对L929细胞均没有毒性。在MRSA感染的大鼠全层皮肤缺损创面模型中,负载DOX的水凝胶具有良好的治疗效果。负载DOX的水凝胶在第3天和第6天菌落数量显著减少,随着时间推移显示出优异抗菌作用。该材料能显著促进创面愈合,增加胶原蛋白的覆盖面积,下调促炎因子TNF-α和IL-1β的表达,上调抗炎因子IL-4和新生血管生成因子CD31的表达。水凝胶的尺寸越大,网络扩散越慢。为了让水分子快速进入水凝胶内部从而减少水凝胶溶胀时间,摆脱水凝胶尺寸对其溶胀速率的限制,在水凝胶中引入大孔结构是提高其溶胀速率简单而有效的方法之一。本研究以AM和AA为原料,APS/TEMED为引发体系,MBA为交联剂,海藻酸钠(SA)为增稠剂,Pluronic F-127(PF127)为表面活性剂,碳酸钠为发泡剂合成了大孔水凝胶。通过万能力学试验机、FTIR、SEM、溶胀等方法研究了发泡水凝胶的结构和性质。水凝胶再水化后仍然可以恢复到其原始的机械强度,保证了水凝胶负载药物溶液之后仍然能有效抵抗外力的破坏,保持良好的宏观形状。发泡水凝胶由于其具有大孔径且连通的孔结构特点,能实现快速的吸水溶胀效果,在60 s左右的时间即可恢复至其原来重量。快速溶胀的性能使其可以快速负载药物溶液,更有利于提高其应用性能。
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