自组装的过氧化镁超分子水凝胶用于氧化剂中和及化学灼伤处理

《Bioactive Materials》：Self-assembled magnesium peroxide supramolecular hydrogel for oxidants neutralization and chemical burn management

超分子水凝胶通过自组装形成三维网络，动态释放H2O2、O2和Mg2+，可高效中和化学烧伤中的强氧化剂（如NaClO），并协同促进血管生成和表皮再生，在小鼠模型中显著加速创面愈合。

　　本研究聚焦于一种新型的镁过氧化物（MPO）超分子水凝胶的设计与开发，旨在为化学烧伤提供一种高效的急救治疗方案。化学烧伤通常由强酸、强碱或氧化剂引起，其危害性远超普通的热烧伤，因为化学物质能够穿透皮肤并深入组织，导致严重的深层损伤。现有的治疗方法如大量冲洗或使用中和剂，往往无法彻底清除已经渗透的有害物质，且部分中和剂可能引发二次伤害或影响伤口修复。因此，开发一种能够有效中和有害化学物质并促进组织再生的新型水凝胶，对于化学烧伤的治疗具有重要意义。

MPO作为一种具有特殊化学性质的材料，能够在水性环境中缓慢释放镁离子（Mg2?）、氧气（O?）和过氧化氢（H?O?）。这些物质不仅具有良好的生物相容性，还能通过氧化还原反应清除有害氧化剂，并促进细胞增殖和组织修复。相比其他过氧化物基材料，如钙过氧化物（CPO），MPO在水解过程中生成的氢氧化镁（Mg(OH)?）能够使pH值维持在接近生理水平的范围（通常<8.5），从而避免了高pH值对蛋白质的破坏，加快了伤口的愈合过程。此外，MPO释放的Mg2?在促进血管生成和抗炎方面表现出显著优势，且不会引发高钙血症。

然而，尽管MPO在化学烧伤治疗中具有巨大潜力，但目前大多数MPO基水凝胶系统仍依赖于交联剂进行结构构建，这限制了其在动态环境中的响应能力。本研究创新性地设计了一种无需交联剂的MPO自组装水凝胶。该水凝胶通过氢键和Mg2?配位作用，将MPO作为动态结构节点进行自组装，形成稳定的三维网络结构。与传统的通过预合成纳米颗粒与交联剂混合的方法不同，本研究采用了一种“原位”合成策略，使MPO在水凝胶形成过程中发挥核心作用，从而实现了对活性成分的精确控制释放。

通过多种表征手段，如X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等，研究人员确认了MPO水凝胶的形成机制和结构特性。结果显示，MPO在溶液中表现出高度的不稳定性，特别是在热或水解条件下容易转化为氢氧化镁并释放氧气。这种动态行为不仅影响了水凝胶的物理特性，还为其在化学烧伤治疗中的应用提供了理论依据。研究还发现，MPO的自组装行为依赖于特定的分子结构，其中精氨酸（ARG）作为关键的连接分子，其分子结构中的胍基和氨基/羧基末端能够与MPO中的过氧基团形成氢键，并与Mg2?发生配位作用，从而构建出稳定的三维网络。此外，不同浓度的精氨酸对水凝胶的机械强度和结构稳定性具有显著影响，这一发现为优化水凝胶性能提供了重要线索。

在MPO水凝胶的性能评估中，研究人员发现其能够高效地清除氧化剂，如次氯酸钠（NaClO）。通过与抗坏血酸（ASA）进行对比实验，MPO水凝胶表现出更高的中和效率。这主要归因于其通过氧化还原反应快速将NaClO转化为无害的产物，如氯化钠（NaCl）、水（H?O）和氧气（O?），而ASA则可能引发其他氧化副产物，导致氧化应激的持续存在。此外，MPO水凝胶在体内和体外实验中均表现出良好的生物相容性，其释放的Mg2?和氧气能够促进细胞生长和组织再生，同时避免了对正常组织的损伤。

在体外实验中，研究人员通过细胞增殖实验、管形成实验、划痕实验和迁移实验评估了MPO水凝胶对细胞行为的影响。结果表明，MPO水凝胶能够显著促进细胞增殖、迁移和血管生成，而过氧化氢或镁离子单独作用时效果较弱。这进一步支持了MPO水凝胶的协同作用机制，即通过Mg2?和氧气的共同作用，为伤口修复创造了一个有利于细胞生长的微环境。此外，RNA测序结果显示，MPO水凝胶能够上调与血管生成和上皮化相关的基因表达，如VEGF和FGF-2，同时下调一些促炎因子的表达，如iNOS和PRKCA，这表明其在促进组织修复和抑制炎症反应方面具有显著优势。

在体内实验中，研究人员构建了小鼠NaClO诱导的化学烧伤模型，并评估了MPO水凝胶的治疗效果。实验结果表明，MPO水凝胶能够有效减少烧伤面积，促进伤口愈合。在第10天时，MPO组的伤口几乎完全愈合，而对照组和ASA组的伤口仍未完全修复。通过组织学分析，如H&E染色和Masson染色，研究人员进一步确认了MPO水凝胶在促进组织再生和形成有序的胶原纤维方面的优势。此外，免疫荧光染色结果显示，MPO组的iNOS和IL-10表达水平显著低于对照组，表明其在抑制炎症反应和促进组织修复方面具有显著效果。

尽管MPO水凝胶表现出良好的治疗效果，但其在生理条件下的稳定性仍是一个需要解决的问题。MPO在水性环境中容易分解，导致Mg2?和H?O?的释放。为了克服这一局限，研究人员提出了多种优化策略，如低温储存、引入保护性缓冲层以及开发响应性释放机制。例如，通过将MPO微凝胶封装在藻酸盐基水凝胶中，可以形成核心-壳结构，从而延长MPO的稳定性和控制其释放速率。此外，结合光响应或pH响应等外部刺激，可以实现对氧气和Mg2?释放的精准调控，为开发多功能、智能响应的水凝胶提供了新的思路。

本研究的成果不仅为化学烧伤的急救治疗提供了新的解决方案，还拓展了超分子水凝胶在生物医学领域的应用前景。MPO水凝胶的自组装特性使其能够在体内快速响应并释放活性成分，同时其动态结构赋予了材料良好的可重塑性和自我修复能力。这些特性使得MPO水凝胶在创伤护理中具有广阔的应用潜力。此外，MPO水凝胶的多功能性也为其在其他生物医学领域的应用提供了参考，如药物递送、组织工程和感染控制等。

从技术角度来看，MPO水凝胶的制备过程具有一定的挑战性。研究人员采用了一种“一步法”合成策略，通过控制反应条件，使MPO在水凝胶中以动态形式存在，从而实现其作为结构节点的作用。这种方法不仅简化了合成步骤，还避免了传统交联剂可能带来的生物相容性问题。此外，水凝胶的制备过程中需要精确控制精氨酸的用量，以确保其在结构构建中的关键作用。通过调整精氨酸的浓度，研究人员能够调控水凝胶的机械强度和稳定性，从而满足不同应用场景的需求。

从应用角度来看，MPO水凝胶具有良好的可注射性，能够通过注射方式直接应用于烧伤部位，为临床治疗提供了便利。其可塑性和重塑能力使得水凝胶能够适应不同形状的伤口，从而提高治疗的灵活性和适用性。此外，水凝胶的可控释放特性使其能够持续提供Mg2?和氧气，为伤口愈合提供长期支持。这种持续的活性成分释放机制在传统水凝胶中较为罕见，是本研究的一大创新点。

在生物安全性方面，MPO水凝胶表现出良好的表现。实验结果显示，其在体内应用不会引发明显的系统毒性或炎症反应，且对主要器官无损害。此外，水凝胶的降解产物如Mg2?和氧气均具有良好的生物相容性，不会对细胞造成不良影响。这些结果表明，MPO水凝胶不仅具有高效的治疗作用，还具备良好的生物安全性，为临床应用奠定了基础。

总的来说，本研究开发了一种基于MPO的超分子水凝胶，其无需交联剂的自组装机制、动态响应特性以及多功能释放能力，为化学烧伤的治疗提供了新的思路。通过精确调控MPO的结构和释放行为，研究人员成功构建了一个既能中和有害氧化剂又能促进组织再生的治疗平台。该水凝胶不仅在体外实验中表现出优异的性能，还在体内实验中验证了其治疗效果，显示出在紧急创伤护理中的巨大潜力。未来，随着进一步的技术优化和功能扩展，MPO水凝胶有望成为一种新型的生物医用材料，为化学烧伤和其他类型的创伤提供更加高效的治疗方案。