南方医科大学郭金山：抗氧化、抗炎和抗菌的单宁交联贻贝仿生医用胶粘剂促进伤口无疤痕愈合 | Bioactive Materials
近期，南方医科大学基础医学院郭金山教授在科爱出版创办的期刊 Bioactive Materials 上发表研究论文：抗氧化、抗炎和抗菌的单宁交联贻贝仿生医用胶粘剂促进伤口无疤痕愈合。本文利用天然多酚单宁酸（TA）与柠檬酸基贻贝启发的胶粘剂预聚物的氢键相互作用，能瞬时（<25s）成胶，避免了传统的有毒强氧化剂（如高碘酸钠和硝酸银）的使用，开发了抗氧化、抗炎和抗菌的单宁交联的贻贝仿生医用胶粘剂（3A-TCMBAs），能够通过持续抗炎和阶段性调控血管生成（前期促进血管生成，后期抑制血管生成）实现伤口无瘢痕愈合，展现出良好的临床应用前景。
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随着人民生活水平的提高和对自身健康和美丽问题的关注，人们越来越追求伤口的高质量愈合，特别是无疤痕愈合（尤其是针对面部等部位的体表伤口），开发既能有效闭合伤口，又能促进其无疤痕愈合的多功能材料非常重要。相比于手术缝合，采用医用胶粘剂/组织粘合剂闭合伤口产生的疤痕较轻，然而如何进一步减轻疤痕形成仍是巨大挑战。伤口愈合过程中过度的炎症反应以及伤口愈合后期持续的血管新生被认为是造成胶原蛋白过度沉积而产生疤痕的重要原因。
本文利用天然植物多酚单宁酸（TA）与柠檬酸基贻贝启发的胶粘剂预聚物（injectable citrate-based mussel-inspired bioadhesive, iCMBA）的氢键相互作用，能瞬时（<25s）成胶，避免了传统的有毒强氧化剂（如高碘酸钠和硝酸银）的使用，开发了抗氧化、抗炎和抗菌的单宁交联贻贝仿生医用胶粘剂（3A-TCMBAs）（图1）。
图1：单宁交联贻贝仿生医用胶粘剂（3A-TCMBAs）的开发及其用于促进伤口无疤痕愈合。
3A-TCMBAs对各种基材如橡胶、玻璃、塑料和金属显示出强大的粘附力，表明该粘合剂可能具有广泛的适用性。手套上的一小块（0.1克）3A-TCMBA可以牢牢地粘住30克橡胶、30克玻璃、60克塑料和100克金属的重量。3A-TCMBA还显示出对湿态生物组织的强大粘附力，包括猪皮和各种内脏器官如心、肝、脾、肺和肾。我们通过搭接剪切强度测试定量研究了3A-TCMBAs对不同基质的粘附强度。在湿态条件下，3A-TCMBAs对猪皮的搭接剪切强度与TA含量成比例增加。在测试的配方中，3A-TC5%（由5%的TA交联）显示出最低的粘附强度（16.40±1.71 kPa），而3A-TC15%显示出最高的粘附强度（41.54±3.40 kPa），都显著高于市售纤维蛋白胶（医用胶粘剂金标准）（4.58±1.57 kPa）。3A-TC15%对玻璃、橡胶、铁和塑料也有很强的粘附力，最高粘附强度达到140kPa（对塑料）。3A-TCMBA还具有快速自愈合能力：完全切开的3A-TCMBA薄膜片在3分钟内即可融合在一起，只需接触它们刚切开的界面，无需任何外部刺激。流变学测试结果也充分验证了3A-TCMBA的自愈合能力，在承受大应变（100%）1分钟后，松驰1分钟后，3A-TC15%的存储模量（Gꞌ）甚至在4个循环后可大部分恢复（图2）。
图2：3A-TCMBAs的粘附和自修复性能。
此外，3A-TCMBAs还具有低溶胀率（<60%），优异的机械强度（～1.0 MPa）和弹性（伸长率∼2700%），优异的体外和体内抗氧化能力，良好的细胞相容性，以及光热抗菌活性（近红外（NIR）照射后细菌死亡率>90%）。
以上体外实验有力地表明了3A-TCMBAs在感染性伤口愈合中的应用潜力。因此，我们在SD大鼠感染性全层皮肤缺损模型中进一步评估了其在皮肤伤口愈合应用中的适用性。3A-TC15%+NIR（近红外光照辅助）组的感染伤口部位的温度在NIR照射后5分钟内迅速上升至50ºC左右，与体外结果一致。而在对照组中第3天可以发现伤口周围有一些黄色的脓液，表明感染伤口模型的成功构建。相对于对照组，3A-TC15%和3A-TC15%+NIR组的伤口闭合速度更快。在第21天时，3A-TC15%+NIR组的伤口几乎完全闭合且在外观上看无明显疤痕，而对照组的伤口仍未愈合，留下了疤痕。这些结果表明，应用3A-TCMBAs及NIR辐照辅助可以大大促进感染性伤口的愈合（图3）。
图3：3A-TCMBA（±NIR）促进感染性全层皮肤缺损修复的研究。
通过对处理后的皮肤的H & E和Masson三色染色研究，我们发现3A-TCMBA+NIR（以3A-TC15%+NIR为代表）处理感染性创面能在第3、7、14天显著促进胶原沉积。且在第21天的伤口中，3A-TCMBA+NIR处理组（已愈合）具有最薄的上皮层和最高的皮肤毛囊密度，初步证实了3A-TCMBA+NIR处理感染性创面能够减轻疤痕形成。
通过对促炎因子（TNF-α和IL-1β）的免疫组化染色研究表明3A-TCMBA和3A-TCMBA+NIR（特别是后者）处理在第7和14天都能显著降低炎症反应，证明了该胶粘剂的持续抗炎效果（图4）。
图4：3A-TCMBAs（±NIR）处理感染性全层皮肤缺损时发挥持续抗炎作用（截取部分图片）。
然后，我们通过对血管新生（CD31血小板内皮细胞粘附分子-1）、PDGF（血小板衍生生长因子）、VEGF（血管内皮生长因子））毛囊形成（CD34）和基质金属蛋白-9（MMP9）相关因子的免疫组化染色，以及天狼星红染色（表征I/III胶原比）进行了进一步的研究。发现在感染的大鼠全层皮肤创面模型中，3A-TCMBA+NIR处理可在早期伤口闭合阶段（第一周）促进血管生成，并在伤口愈合后（第14天）有效抑制血管生成（CD31、PDGF、VEGF均表现出此趋势），同时在伤口愈合后期（伤口重整阶段）通过促进MMP9的表达而促进细胞外基质（ECM）的降解和重塑，改善I/III胶原比，从而促进创面的无瘢痕愈合（图5）。
图5：3A-TCMBAs（±NIR）处理感染性全层皮肤缺损时能阶段性调控血管生成（前期促血管化，后期抑制血管生成），并在愈合后期（伤口重整阶段）促进细胞外基质（ECM）的降解和重排。
总之，我们通过简便高效的方法，利用天然植物多酚单宁（TA）与与柠檬酸基贻贝启发的胶粘剂（iCMBA）预聚物的氢键相互作用，简便高效地得到了快速交联的医用胶粘剂，避免了传统的有毒强氧化剂的使用，既赋予了胶粘剂以优异的自修复性能又充分叠加了TA和iCMBA预聚物的抗氧化性，得到了抗氧化、抗炎和抗菌的单宁交联贻贝仿生医用胶粘剂（3A-TCMBAs）。3A-TCMBAs优异的生物组织粘附性、自修复性和良好的弹性与机械性能使其能方便地施用在各种伤口或创面上，而不用额外使用缝合线等固定器械。3A-TCMBAs具有良好的生物相容性、抗氧化性和光热杀菌（近红外光（NIR）辅助下）性能。在感染的大鼠全层皮肤创面模型中，3A-TCMBA+NIR处理可促进伤口闭合，并通过持续抗炎、阶段性调控血管生成（早期（炎症阶段）促进血管生成，后期（愈合后）抑制血管生成，使血管生成“功成身退”，避免胶原蛋白过度沉积，造成伤口隆起而形成疤痕）并在伤口重整阶段促进ECM的降解和重塑，改善I/III胶原比，从而促进创面的无瘢痕愈合。本研究对具有防止疤痕生成功能的医用胶粘剂的开发进行了了有益尝试，所开发的医用胶粘剂也具有良好的临床应用前景。
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第一作者：吴可可
南方医科大学基础医学院博士后，主要从事生物医用材料、组织工程等交叉领域研究。近年来，在国际著名期刊Advanced Science、Bioactive Materials、Small等发表论文 20余篇，主持国家青年基金 1 项，广东省基金2 项，博后基金1项。Gels 杂志客座编辑。
通讯作者：郭金山
南方医科大学基础医学院教授，博士生导师，广东省青年人才、广东省科技进步一等奖获得者，主持及参与国自然重点、面上项目，广东省和广州市项目等多项。
研究方向集中在生物医用高分子和生物材料的开发及其在软、硬组织修复中的应用，包括生物医用胶粘剂及生物活性骨修复材料。近年来以通讯/第一作者等在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Biomaterials、Bioactive Material、Small等期刊发表论文60余篇，英文专著2章，有近20项中、美和国际专利。荣获广东省科技进步一等奖等多项荣誉，入选2021年JMCB全球新锐科学家。
课题组网站：http://bio-materials.com.cn。课题组诚招博士后，欢迎来函来电咨询: jsguo4127@smu.edu.cn, 020-61648222, QQ (wechat): 123332035。
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该研究获 国家自然科学基金 (U21A2099、82102545)、中国博士后基金 (2021M701627) 和广东省基础与应用基础研究项目(2022A1515011982、2020A1515110062) 的支持，并得到了美国宾夕法尼亚州立大学杨健教授的参与、支持与帮助。
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Keke Wu, Meimei Fu, Yitao Zhao, Ethan Gerhard, Yueli, Jian Yang, Jinshan Guo*.
Anti-oxidant anti-inflammatory and antibacterial tannin-crosslinked citrate-based mussel-inspired bioadhesives facilitate scarless wound healing.
Bioactive Materials, 20, (2023) 93-110.