多功能氧化透明质酸/季铵化瓜尔胶/聚乙烯吡咯烷酮水凝胶，用于止血和感染伤口管理

《Sustainable Materials and Technologies》：Multifunctional oxidized hyaluronic acid/quaternized guar gum/polyvinylpyrrolidone hydrogel for hemostasis and infected wound management

本研究开发了一种由氧化透明质酸、季铵化Guar胶和聚乙烯吡咯烷酮组成的多功能注射用水凝胶QGHP，通过Schiff碱键和氢键实现双动态交联。该水凝胶具备快速自愈能力（止血时间约17秒）、广谱抗菌活性（抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌>95%）及可控降解特性，在感染性伤口模型中显著促进胶原蛋白沉积和上皮化，为复杂创面治疗提供创新解决方案。

　　

郭秋霞|范鹏|刘新怡|曾翠|王世革|李华东

中国湖北省武汉市第四医院胃肠科，邮编430034

摘要

无法控制的出血和细菌感染仍然是伤口管理中的关键挑战，这需要先进的敷料来结合快速止血、抗菌活性和组织再生功能。本文介绍了一种多功能可注射水凝胶（QGHP），该水凝胶由氧化透明质酸（OHA）、季铵化瓜尔胶（QGG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）通过双重动态交联（Schiff碱键和氢键）制成。这种设计赋予了QGHP快速自愈能力、强组织粘附性、剪切变稀的可注射性以及可调节的机械性能。该水凝胶具有优异的液体吸收能力（膨胀率约为1148%）和可控的降解性。QGG的阳离子基团赋予了其广谱抗菌活性，无需抗生素即可抑制超过95%的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）。在大鼠尾部截肢模型中，QGHP能够快速止血（约17秒），并减少约84%的出血量。对于感染性伤口，QGHP可以加速伤口闭合，抑制细菌增殖（存活率降低约3.5%），并促进胶原蛋白沉积和上皮再生。这种双网络水凝胶结合了可注射性、生物粘附性和抗菌功能，为复杂伤口愈合提供了有希望的解决方案。

引言

无法控制的出血和伤口感染仍然是有效创伤护理和伤口愈合的两大障碍[1]。严重出血可迅速导致低血容量性休克和死亡。此外，伤口的细菌污染通常会导致长期炎症、广泛的组织损伤和正常的愈合过程受阻，可能导致慢性不愈合伤口和严重并发症[2,3]。传统的敷料如纱布和绷带主要起到被动物理屏障的作用，通常缺乏内在的生物活性[4,5]。因此，迫切需要能够快速止血、表现出强抗菌活性并同时促进组织再生的先进敷料，以实现安全高效的伤口修复。

基于水凝胶的材料因其高含水量、模拟组织的机械性能以及维持湿润愈合环境的能力而成为伤口敷料的有希望的候选材料[6,7]。此外，水凝胶可以被设计成能够封装和释放治疗剂，适应不规则的伤口形状，并与伤口组织进行动态相互作用[8,9]。然而，单网络水凝胶往往难以满足感染和出血伤口的复杂功能需求[10,11]。为了解决这些问题，理想的多功能水凝胶系统应结合高效的液体吸收性能、组织粘附性以密封出血部位，同时具备可调的机械强度以防止二次损伤、自愈能力以实现持续的伤口覆盖，以及抗菌性能和药物释放等集成生物活性[12,13]。近年来，具有双重或多网络交联结构及功能性成分的水凝胶作为治疗复杂伤口的多功能平台受到了越来越多的关注[14,15]。

瓜尔胶（GG）是一种从植物种子中提取的亲水性多糖，广泛用于生物医学和食品应用中的增稠剂[16,17]。通过化学修饰，例如引入季铵基团，GG可以转化为季铵化瓜尔胶（QGG），这是一种具有优异水溶性的阳离子聚合物[18,19]。此外，带正电的QGG可以通过静电作用与带负电的细菌膜相互作用，破坏膜完整性并导致细菌死亡[20]。因此，基于QGG的水凝胶在治疗感染性伤口方面具有巨大潜力[21]。同样，透明质酸（HA）作为细胞外基质的关键成分，在促进细胞迁移、血管生成和组织重塑方面起着重要作用，尤其是在炎症和增殖阶段[22,23]。重要的是，HA的氧化能够引入醛基团，使其能够在生理条件下与含有胺的聚合物（如QGG）发生动态且可逆的共价交联[24]。这些共价键赋予了生成的水凝胶可注射性和自愈能力。

在这项研究中，我们开发了一种由氧化透明质酸（OHA）、QGG和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）组成的多功能复合水凝胶（QGHP），用于有效止血和治疗感染性伤口（图1）。与许多依赖多巴胺化学或氧化固化来实现湿粘附的基于HA的粘合水凝胶不同[26]，我们的系统不需要儿茶酚接枝或额外的固化步骤，从而简化了在出血条件下的原位应用。尽管QGHP具有自愈性、可注射性和组织粘附性，但通过OHA和QGG之间的Schiff碱相互作用形成的水凝胶机械强度有限。为了解决这个问题，我们加入了PVP以形成第二个氢键网络，从而形成了一个结合了可逆共价和非共价相互作用的双交联系统。氢键网络的引入使得在变形过程中能够有效耗散能量。此外，氢键介导的结合在挤出过程中加速了网络的形成，使得在不规则伤口上能够快速定形，同时保持剪切变稀的可注射性，并通过Schiff碱基和氢键基团的同步重构促进快速自愈。因此，这种结构赋予了水凝胶增强的机械稳定性、剪切变稀行为以及在生理条件下的快速原位凝胶化能力，使其能够应用于不规则的伤口表面。QGHP水凝胶表现出优异的湿组织粘附性、快速自愈性和优越的机械韧性，从而减少了敷料更换的频率。与通过添加外源性物质（例如在HA/EPL水凝胶中使用ε-聚L-赖氨酸（EPL）的抗菌肽系统或在HA/壳聚糖复合材料中加载万古霉素的抗生素系统）来实现抗菌活性的基于HA的水凝胶相比，QGHP通过QGG的季铵基团提供了内在的、无需药物的抗菌活性。此外，与需要NIR驱动的光热填料才能达到高杀菌效果的伤口敷料不同，QGHP无需外部刺激或光敏剂即可实现广谱杀菌[29]。体外和体内评估证实了其出色的止血效率、无需外部抗生素的广谱抗菌活性以及良好的生物相容性。在全层感染皮肤伤口模型中，QGHP显著加速了伤口闭合，抑制了细菌增殖，并促进了胶原蛋白重塑和上皮再生，凸显了其作为复杂伤口护理的先进多功能敷料的潜力。

材料与动物

瓜尔胶（GG，来源于Cyamopsis tetragonoloba）、透明质酸（HA，分子量40–80 kDa）、2,3-环氧丙基三甲基铵氯化物（ETA，70%水溶液）、过碘酸钠（NaIO₄）、乙二醇、环氧氯丙烷（EPI）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量40,000）以及所有其他分析级试剂均从Aladdin Reagent Co., Ltd.（中国上海）购买。所有合成和实验程序均使用超纯去离子水。磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH=7.4）和细胞培养试剂也用于实验。

水凝胶前体合成

图1a和图1b分别概述了QGG和OHA的合成路线。为了合成QGG，首先对GG进行胺化处理，然后进行季铵化，引入了伯胺和季铵基团。通过¹H核磁共振（¹H NMR）光谱确认了成功的修饰，结果显示QGG谱中出现了原始GG中不存在的新质子信号。值得注意的是，在δ=3.25 ppm处出现了一个明显的峰，对应于引入的甲基质子。

结论

在这项研究中，我们开发了一种新型的可注射多功能QGHP水凝胶，由OHA、QGG和PVP组成，通过包含动态Schiff碱键和氢键相互作用的双重交联网络进行工程设计。这种结构设计赋予了水凝胶优异的可注射性、快速自愈能力、强组织粘附性以及适合不规则和动态伤口环境的可调节机械性能。该水凝胶表现出高液体吸收能力和可控的...

作者贡献声明

郭秋霞：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。范鹏：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。刘新怡：撰写——初稿、资源获取、方法学、研究、数据分析、概念化。曾翠：数据分析、概念化。王世革：撰写——审稿与编辑、初稿撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了武汉市卫生健康委员会传统中医研究项目（S202204240000）的支持。