深圳大学孔湉湉AFM：超声响应水凝胶贴片，可用于角膜炎治疗！

生物医学贴片为角膜炎治疗提供了巨大的潜力。基于多功能性和仿生学的进步，受角膜天然结构和功能的启发，深圳大学孔湉湉等合作推出了一种具有高治疗功效的创新型多功能水凝胶贴片。通过设计由重组人胶原蛋白(RHC)水凝胶、近场静电纺丝(NFES)微纤维和金纳米粒子装饰的四方钛酸钡(BTO@Au)组成的复合贴片，可实现结构拟态、机械强化、组织特异性粘附和达到细菌抑制作用。RHC水凝胶重现了三维(3D)微环境，模拟角膜组织的自然结构，表现出出色的组织粘附力。NFES微纤维集成在该水凝胶中，旨在模拟天然角膜基质的正交排列，不仅增强了RHC水凝胶的机械强度，而且还充当支架来引导人类角膜细胞的对齐生长。这种先进贴片的一个独特之处是加入了 BTO@Au纳米颗粒，在受到超声波刺激时，它会产生活性氧，从而有效消灭细菌。通过对角膜伤口感染的大鼠模型进行体内研究，与目前的治疗方法相比，这种水凝胶贴片表现出优越的治疗效果。据认为，这些受角膜启发的超声响应粘合水凝胶贴片代表了一项重大的科学进步，具有很高的临床应用潜力。该研究以题为“Cornea-Inspired Ultrasound-Responsive Adhesive Hydrogel Patches for Keratitis Treatment”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

该研究提出了一种受角膜启发、用于治疗角膜炎的超声响应粘性贴片，该贴片由重组人胶原 (RHC)水凝胶制成，并用方形微纤维网格加固，如图1所示。创新的贴片融合了具有多种优势特征，为有效的角膜炎治疗提供全面的策略，包括结构仿生、增强的机械弹性、组织粘附和靶向抗菌活性。贴片的核心是RHC水凝胶基质。该水凝胶采用近场静电纺丝(NFES)(一种高精度3D打印方法)由聚己内酯(PCL)制成的方形微纤维网格进行增强。NFES技术可以将亚微米纤维精确放置在水凝胶中。任意布局，能够模拟天然角膜基质的正交结构。将NFES 纤维纳入贴片中不仅提高了水凝胶的机械强度，还刺激了人类角膜细胞(HK)的对齐生长。贴片的抗菌特性是通过创新使用非水凝胶来实现的。具体来说，采用金纳米颗粒装饰的四方钛酸钡(BTO@Au)作为分散在水凝胶基质中的压电纳米颗粒。这些压电纳米颗粒作为超声波敏化剂在超声波照射(US)下受到刺激，转化为声机械力进入电场。这种转化随后释放电子来催化周围的氧气和水，产生活性氧(ROS)，从而有效地靶向和消除细菌。除了其抗菌特性外，水凝胶基质还结合了氧化瓜尔胶(OGG)来增强组织粘附力并提供自愈特性。对角膜伤口感染的大鼠模型的体内研究证实了贴片的卓越治疗效果，强调了其对角膜炎治疗的临床相关性。这种多维方法不仅有望解决角膜炎问题，而且有望在各个生物医学领域得到潜在应用。

图1. 示意图显示了贴片的组成和预期功能

【OGG/RHC水凝胶的制备和表征】

胶原蛋白是角膜细胞外基质(ECM)的主要成分。鼠尾I型胶原蛋白已被广泛用于制备胶原蛋白水凝胶，可以改善角膜细胞的粘附和增殖，促进受损角膜的修复，但其机械强度和可控性较差。在此，重组生产RHC III型，可以克服这些挑战，同时保持天然胶原蛋白的优越特性。为了制备RHC水凝胶，合成了OGG。OGG上的醛基和RHC上的氨基之间的动态可逆席夫碱键赋予OGG/RHC水凝胶良好的自修复和组织粘附能力。该水凝胶表现出多孔结构和高透明度，这使得它们适合制备角膜补片。值得注意的是，良好的均质性可以提高水凝胶的机械性能，并为细胞粘附和增殖提供优越的微环境。具有可注射和自愈特性的水凝胶在伤口愈合和药物输送方面表现出良好的治疗效果。

图 2. OGG/RHC水凝胶的制备和表征

【纤维增强水凝胶的制备和表征】

除了组件之外，结构的仿生对于体外细胞也至关重要。模拟的微环境可以调节细胞的生长、增殖和分化。NFES技术用于制造具有方形晶格骨架的微纤维，以模仿天然角膜的正交排列纤维层。优化纺丝参数后，可以轻松生产具有高沉积精度的纤维支架。为了制备纤维水凝胶，将预混合的OGG和RHC溶液与纤维支架一起注入模具中。从动态流变学结果和压缩应变-应力曲线来看，纤维支架可以增强凝胶的机械强度，并且较小的纤维间距可以提供更高的强度。为了研究纤维支架对细胞的影响，将HKs接种在NFES支架上，纤维间距为100 ɛm。培养5天后，细胞被细胞骨架染色。HKs可以粘附在微纤维上并沿着正交排列的结构扩散。

图3. 纤维增强水凝胶的制备和表征

【BTO@Au和ROS生成的表征】

钛酸钡(BaTiO₃，BTO)作为经典压电材料之一，已广泛应用于生物传感器、压电催化和生物医学领域。已经证明金属和压电材料可以形成肖特基势垒，可以增强压电材料的催化性能，此外，压电催化可以通过产生的电荷载流子与周围的H₂O和O₂分子反应产生ROS。因此，为了赋予纤维水凝胶抗菌作用，在BTO上修饰金纳米粒子(Au NPs)以制造BTO@Au NPs。

研究了BTO@Au在刺激下产生ROS的压电催化能力。结果表明，Au NPs的修饰可以增强声敏感性和•OH和¹O₂的产生。

BTO@Au NPs合成后，将预混合的OGG、RHC和BTO@Au NPs溶液注入具有纤维支架的模具中，制备超声响应粘合水凝胶贴片。进行了典型的细胞计数试剂盒8 (CCK-8)测试和活/死染色，表明贴片具有良好的生物相容性。

图4. BTO@Au和ROS生成的表征

【BTO@Au掺入纤维凝胶的体外抗菌作用】

基于ATCC的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，研究了贴片在照射下的杀菌性能。将细菌与纤维凝胶、纤维凝胶+BTO和纤维凝胶+BTO@Au一起孵育1小时，并用US照射5分钟。未处理的细菌用作对照。与其他组相比，纤维凝胶+BTO@Au+US组的细菌形态损伤最严重，表明其表现出最好的细菌杀灭能力。US刺激可以催化BTO产生ROS来杀菌，并且BTO上的Au沉积可以显着提高抗菌效果。

图 5. BTO@Au掺入纤维凝胶的体外抗菌作用

【体内金黄色葡萄球菌BTO@Au纤维水凝胶贴片的抗菌评价】

受仿生理化特性和体外抗菌性能的启发，BTO@Au负载纤维水凝胶贴片进一步应用于使用金黄色葡萄球菌开发的大鼠角膜炎模型中。通过皮下嵌入评估贴片的体内生物相容性。纤维凝胶+BTO@Au+US组具有最佳的治疗效果和临床评分，有效延缓角膜混浊的演变和角膜缺损的程度，同时抑制角膜炎症。此外，还进行CFU测定来评估治疗效果。治疗7天后，纤维凝胶+BTO+US和纤维凝胶+BTO@Au+US中的细菌数量有显着性差异。与其他组相比有所减少。BTO@Au与US辐照的协同杀灭细菌效果最好，与体外实验结果一致。

图 6. 体内金黄色葡萄球菌BTO@Au纤维水凝胶贴片的抗菌评价

【免疫染色以验证负载BTO@Au纤维水凝胶贴片的抗菌评估】

为进一步验证BTO@Au负载的纤维水凝胶贴片的抗菌效果，观察细胞因子相关的白细胞介素6(IL6)、肿瘤坏死因子α (TNF-α)、血管内皮生长因子(VEGF)的表达情况通过免疫组织化学和免疫荧光染色测定炎症、血管生成和巨噬细胞中特异性表达的CD68。可以发现，纤维凝胶+BTO+US和纤维凝胶+BTO@Au+US组中这些标记物的表达量低于对照组和纤维凝胶+US组。此外，还进行了胶原蛋白的免疫荧光染色。与其他组相比，纤维凝胶+BTO@Au+US组中白细胞介素1β(IL-1β)和VEGF的浓度显着降低，表明纤维凝胶+BTO@ Au+US组有轻微的炎症反应。这些结果表明，该研究设计的超声响应粘合水凝胶贴片是治疗角膜炎的一种有前途的疗法。

图 6. 免疫染色以验证负载BTO@Au纤维水凝胶贴片的抗菌评估

【小结】

该研究提出了一种集结构模拟、机械增强、组织粘附和细菌杀灭于一体的多功能水凝胶贴片来治疗角膜炎。OGG/RHC水凝胶表现出良好的自修复和组织粘合性能。具有天然角膜基质样正交排列结构的NFES微纤维提高了RHC水凝胶的机械强度，并诱导人角膜细胞的对齐生长。BTO@Au NPs表现出良好的抗菌能力。结果表明，OGG/RHC水凝胶、NFES微纤维和BTO@Au NP的组装在大鼠眼部感染模型中表现出优异的治疗潜力。这些特点赋予该贴剂巨大的科学价值和良好的临床应用前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202310544