不对称创伤敷料的功能类似于人类皮肤，作为创伤与其直接环境之间的保护屏障。然而，在紧急止血和伤口愈合的应用背景下，水凝胶的坚固粘附和不对称粘附特性方面仍存在重大挑战。在本研究中，中山大学张黎明成功合成了具有Janus不对称粘附特性的水凝胶贴片，称为HGO-C，完全由天然高分子组成。这一成就是通过对粘附性水凝胶（HGO）和非粘附性水凝胶（CGC）的组装实现的，从而整合了它们不同的功能。非粘附性水凝胶组分充当物理屏障，保护伤口免受污染，而粘附性水凝胶在与伤口表面接触时，牢固地粘附在伤口上，迅速止血并促进伤口愈合。细胞相容性测试、溶血测试、抗菌试验和凝血试验证明了HGO-C的卓越生物相容性、抗菌性和止血特性。最后，包括肝脏出血试验和伤口愈合试验在内的体内实验，明确显示了HGO-C的快速止血和增强伤口愈合能力。因此，这些由天然高分子衍生的、具有不对称粘附特性的独特水凝胶贴片，在临床患者的真实应用中可能具有巨大潜力。该研究以题为“Novel Natural Polymer-Based Hydrogel Patches with Janus Asymmetric-Adhesion for Emergency Hemostasis and Wound Healing”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
方案1展示了HGO水凝胶层通过取代容易被氧化的儿茶酚结构为三羟基甲胺（Tris），增强了粘附性，并通过与修饰过的透明质酸（HT）和明胶（GT）以及氧化右旋糖（ODEX）的反应合成。这一粘附层富含氢键和醛基，能够通过氢键、静电相互作用和席夫碱反应与活性组织表面基团结合，实现强效粘附。为了减少不必要的组织粘附，通过在HGO-C水凝胶中加入非粘附CGC水凝胶层，该层由壳聚糖（CS）、明胶（Gel）和羧甲基纤维素纳米纤维（C-CNF）组成，并通过简单的CaCl2浸泡进一步获得顶层的非粘附特性。这种设计使得HGO-C水凝胶具有Janus不对称粘附性质，即一面具有粘附性，另一面则不粘附。此外，合成过程中使用去离子水作为溶剂，避免了有毒有机化合物的使用，符合更简单、安全和环保的方法。
方案1. Janus不对称粘附HGO-C水凝胶贴片制备工艺示意图
【HGO的合成与表征】
图1通过SEM图像展示了HGO-10、HGO-15和HGO-20三种不同浓度HGO水凝胶的截面形态，揭示了它们多孔的三维网络结构，有利于快速吸水。对应的孔径大小测量结果表明，HGO-15的孔径尺寸相比HGO-10有所减小，而HGO-20的孔径尺寸意外增大，这可能归因于ODEX浓度增加导致的亲水基团增加，促进了水分子的聚集。此外，SEM图像还展示了CGC水凝胶和HGO水凝胶的表面形貌，显示了两种不同水凝胶的微观结构差异。
图1.水凝胶的表征和微观结构
【流变、溶胀和保水性能】
流变学测试结果表明，所有HGO水凝胶的储能模量（G'）始终高于损耗模量（G''), 显示出稳定的交联结构。特别是HGO-10和HGO-15展现了相似的G'值，均高于HGO-20，表明ODEX浓度的增加增强了双重网络内的交联，从而增强了机械性能。然而，从HGO-15到HGO-20，尽管ODEX浓度增加，HGO-20的储能模量却意外降低。溶胀特性测试显示，所有水凝胶均表现出快速吸水的趋势，其中HGO-10的吸水速率最高，随后吸水速率减慢直至达到溶胀平衡。此外，水凝胶的保水性能测试表明，在最初的5小时内，几种水凝胶经历了快速的水分流失，其中HG-10的失水速率最高，而HGO-10C的失水速率最慢。在达到质量稳定状态时，HGO-10C水凝胶展现了最高的保水率，这表明CGC水凝胶层的加入显著提高了水凝胶贴片的保水性能。
图2. 流变、溶胀和保水性能
【机械性能】
图3展示了HGO水凝胶的机械性能。拉伸测试结果表明，HGO-15展现了更好的拉伸性能，而HGO-10-C（带有CGC非粘附层的HGO-10水凝胶）相比HGO-10展现了增强的拉伸应力和应变，从而提高了拉伸性能。压缩测试显示HGO-15同样具有较高的压缩强度，而HGO-10-C相比HGO-10在压缩应力和应变上也有所增强，表明CGC层的加入提升了HGO-C双层水凝胶的压缩性能。循环压缩测试用来表征材料的抗疲劳性能，结果显示HGO-10、HGO-15、HGO-20和HGO-10-C均显示出良好的可靠性和耐久性，其中HGO-15在15% ODEX浓度下表现最佳。
图3.机械性能
【水凝胶的不对称粘附表征】
图4详细展示了HGO水凝胶的不对称粘附特性和组织粘附性能。通过CaCl2处理CGC水凝胶顶层，构建了具有不同浓度羧基（─COOH）的HGO-C水凝胶，从而实现了两层表面不同的粘附能力。猪皮粘附测试显示，HGO-C水凝胶的底部表面粘附性强，而顶部表面则易于剥离。接触角（CA）测试进一步证实了HGO-C水凝胶两层具有不同的亲水性，CGC水凝胶处理后的CA增加，表明其顶层表面具有抗粘附特性。此外，通过金属和玻璃表面上的搭接剪切测试和拉伸测试，评估了HGO水凝胶的粘附强度，结果表明HGO-10水凝胶在猪皮上的粘附强度最高，超过了临床使用的纤维蛋白胶。HGO水凝胶通过其丰富的羧基和氨基与组织表面形成化学键和物理相互作用，实现了与组织的强粘附。最后，通过心脏、肝脏、肺和肾脏等不同软组织的原位粘附测试，进一步证明了HGO-10水凝胶对不同软组织的粘附能力。
图4. 水凝胶的不对称粘附表征
【体外抗菌生物相容性】
抗菌实验通过计数活菌落数来评估，结果显示HG和HGO水凝胶组与对照组相比显著减少了细菌计数，这表明两种水凝胶都能有效地抑制细菌增殖，这种效果归因于水凝胶中OFL的高效释放。细胞相容性评估中，通过CCK-8实验测定，与HGO-C水凝胶提取物接触24小时的L929细胞保持了超过90%的存活率，表明HGO-C水凝胶几乎没有细胞毒性。此外，通过活/死细胞染色法观察了与水凝胶提取物共培养24、48和72小时的L929成纤维细胞，结果显示细胞广泛分布，细胞生长健康，且细胞数量随时间增加，与对照组相比死细胞数量相似，进一步证实了HGO-C水凝胶的细胞相容性。
图5.体外抗菌生物相容性
【体外凝血性、凝血时间、红细胞和血小板粘附】
血液相容性测试中，HGO-C水凝胶与血液细胞共培养后的上清液呈现淡粉红色，与阴性对照组（PBS）相似，远浅于阳性对照组的鲜红色，表明HGO-C水凝胶具有较低的溶血率，符合国际临床应用标准。凝血能力测试中，通过模拟体外凝血时间，HGO水凝胶组相比对照组和纱布组显著减少了凝血时间，说明HGO水凝胶能快速促进血液凝固。此外，通过扫描电镜观察到HGO水凝胶表面相比市售止血海绵更有效地聚集了大量红细胞和血小板，表明HGO水凝胶能有效地促进凝血因子聚集并实现快速凝血。
图6.体外凝血性、凝血时间、红细胞和血小板粘附
【HGO-C的体内止血特性】
图7描述了HGO-C水凝胶在大鼠肝脏损伤模型中的止血性能。HGO-C水凝胶在受伤的肝脏表面展现出了优异的粘附能力，即便在肝脏发生可拉伸和柔性变形的情况下，也能够牢固粘附并无残留物脱落。通过对比不同治疗方法对出血情况的影响，发现未经处理和仅用纱布处理的伤口出血迅速且持续，而HGO-C水凝胶处理后的伤口在敷贴后立即止血，没有后续严重出血。定量分析血损量时，与纱布处理组相比，HGO-C水凝胶处理组的大鼠肝脏损伤后出血量显著减少。这些结果明确表明，HGO-C水凝胶具有快速止血的潜力，适用于临床紧急止血和伤口愈合的应用。
图7.HGO-C的体内止血特性
图8通过免疫组化分析评估了HGO-C水凝胶对体内血管生成和巨噬细胞的免疫调节作用。在伤口愈合的炎症阶段，与空白组相比，经水凝胶处理的伤口中M1型巨噬细胞数量减少，而M2型巨噬细胞数量增加，表明HGO-C水凝胶能够促进促炎的M1型巨噬细胞向抗炎的M2型转变，从而增强感染伤口的免疫调节，减少伤口感染。在HG-10、HGO-10和HGO-15水凝胶组中，M2/M1型巨噬细胞的比例最高，显示出这些水凝胶的免疫调节效果最为显著。在伤口愈合的增殖阶段，与空白组相比，HGO-C水凝胶处理的伤口在第7天时新血管的CD31和新形成的成熟血管的α-SMA的荧光强度更强，表明水凝胶能够促进血管再生。此外，H&E染色和Masson染色进一步揭示了水凝胶处理的伤口在炎症反应和胶原纤维沉积方面的表现，显示出水凝胶治疗有助于减轻炎症反应、促进成纤维细胞增殖、胶原沉积，并促进正常伤口愈合。
图8.免疫组织化学分析以评估伤口愈合
【水凝胶的体内伤口愈合性能】
图9展示了HGO-C水凝胶在大鼠全层皮肤缺损模型中的伤口愈合效果。实验中，与使用标准湿润纱布处理的对照组相比，使用HGO-C水凝胶处理的伤口在第14天显示出更明显的愈合效果。通过定期拍摄伤口的数字图像并分析伤口闭合轨迹，发现HGO-C水凝胶处理组的伤口闭合面积百分比显著低于对照组，表明水凝胶显著促进了伤口的愈合。此外，通过H&E染色和Masson染色进一步观察了伤口愈合过程中的炎症反应和胶原纤维沉积，结果显示HGO-C水凝胶处理的伤口中炎症细胞浸润减少，新生血管和胶原纤维组织增多，且胶原纤维排列更加致密和有序。这些组织学变化表明HGO-C水凝胶不仅减轻了炎症反应，还促进了成纤维细胞的增殖和胶原蛋白的沉积，从而加速了正常伤口愈合过程。
图9.水凝胶的体内伤口愈合性能
【小结】
该研究通过结合粘附性水凝胶（HGO）和非粘附性水凝胶（CGC），成功构建了具有Janus不对称粘附特性的多功能水凝胶贴片（HGO-C），这些贴片完全由天然高分子制成。研究发现，HGO-10水凝胶展现了卓越的粘附强度，显著提升了其在伤口组织修复中的效果。此外，CGC层的加入赋予了HGO-C双层水凝胶独特的不对称粘附性质，增强了水凝胶的机械强度和保水能力。体外和体内实验均表明，HGO-C水凝胶不仅能迅速止血，还能促进组织再生，加速伤口愈合过程，其中HGO-10-C双层水凝胶在止血和伤口愈合效果上更为显著。这些发现表明HGO-C水凝胶作为一种有望的生物材料，适用于伤口敷料，具有临床使用的潜力。然而，尽管在大鼠模型中已经展示了其效果，但在更大动物或人类中确保HGO-C水凝胶的安全性和临床应用还需要进一步的研究和优化，包括粘附性能、剂量计划和体内降解途径。总体而言，HGO-C水凝胶为止血和伤口愈合提供了一个有前景的选择。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202401030