氧化透明质酸与羧甲基壳聚糖经镁离子配位构建的生物医学水凝胶

《Biomimetics》：Biomedical Hydrogels Based on Oxidized Hyaluronic Acid and Carboxymethyl Chitosan Coordinated with Magnesium Ions

　　

快速止血、抗氧化应激与微创给药是高性能伤口敷膜的关键性能要求。受天然细胞外基质动态重塑特性启发，研究人员通过氧化透明质酸(OHA)与羧甲基壳聚糖(CMCS)之间的动态希夫碱(Schiff-base)交联，并结合镁离子(Mg2+)配位，构建了多功能注射型水凝胶。研究人员系统考察了Mg2+含量对水凝胶性能的影响。该水凝胶在生理条件下快速凝胶化，表现出良好可注射性、自愈合行为及对湿润组织的黏附性。值得注意的是，Mg2+的引入显著增强小鼠尾截断模型中的止血性能，失血量由391.7 mg降至约75 mg，止血时间由151.7 s缩短至50.3 s。2,2′-偶氮二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(ABTS)自由基清除效率约80%，该水凝胶可有效清除细胞内活性氧(ROS)，且不影响细胞相容性与成纤维细胞活性。本研究提出了一种仿生、易制备的水凝胶平台，集促凝血、氧化还原调控与按需注射功能于一体，作为调控出血与氧化微环境的生物活性伤口敷膜具有转化潜力。

《Biomimetics》刊发的该论文面向慢性难愈伤口治疗需求，针对现有敷膜多仅作物理屏障、吸收渗液，缺乏主动调控复杂伤口微环境能力的问题，提出并验证一种无载体、可注射、兼具止血与抗氧化功能的天然多糖水凝胶体系。研究背景方面，糖尿病足溃疡、压力性损伤等慢性伤口常因持续氧化应激、感染及血管生成受损而迁延不愈，现有敷料治疗失败并不少见；理想伤口敷膜需同时实现快速止血、湿润组织黏附、可注射与自愈合、清除过量活性氧(ROS, reactive oxygen species)并维持湿润愈合环境，从而打破炎症—感染恶性循环，推动伤口由炎症期向修复期过渡。研究人员以氧化透明质酸(OHA, oxidized hyaluronic acid)与羧甲基壳聚糖(CMCS, carboxymethyl chitosan)为基质，利用OHA醛基与CMCS氨基形成动态希夫碱(Schiff-base)键，并直接引入游离镁离子(Mg²⁺)通过羧基配位构建双网络，形成OHA/CMCS/Mg²⁺水凝胶，旨在用最简设计获得促凝血、氧化还原调控与微创给药一体化性能。

关键技术方法上，研究人员以HA高碘酸盐氧化制备OHA；按固定OHA/CMCS比例、以Mg²⁺量为唯一变量制备COM0、COM1、COM2三组水凝胶；采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、¹H核磁共振(¹H NMR)验证化学结构；以扫描电镜(SEM)、显微计算机断层扫描(Micro-CT)分析多孔结构；用流变仪评价凝胶力学与剪切稀化；以鸡心肝肾等组织及多基底评价黏附；用小鼠尾截断模型（昆明小鼠，雄性6—8周，每组3只）评价体内止血；以ABTS法、DCFH-DA探针分别评价体外与细胞内抗氧化；以溶血试验评血液相容性；以NIH 3T3成纤维细胞做细胞活死染色、CCK-8与划痕试验评生物相容及迁移。

研究结果如下。合成OHA：FT-IR在1735 cm^?1出现醛基峰，¹H NMR在4.8—5.1 ppm出新峰，氧化度28%，证实HA成功氧化。COM水凝胶制备：凝胶后醛基峰明显减弱，羧基峰位移至1589—1600 cm^?1，表明Schiff-base键形成及Mg²⁺与羧基配位。COM水凝胶微观结构：SEM与Micro-CT显示均为互联孔结构；COM1孔径最小，COM2略大但仍小于COM0；EDX显示C、N、O、Mg、Cl均匀分布，Mg原子百分比随投料由0升至1.38%、2.45%，证明Mg²⁺成功且可调掺入。溶胀性能：PBS中均快速溶胀，7.5 h达平衡，COM0因孔大、网络松、聚合物浓度高而平衡溶胀率最高（2222±10.03%）。流变性能：储能模量G′始终高于损耗模量G″，具弹性与剪切稀化，可注射器挤出；Mg²⁺使临界应变由188%降至10%，网络更刚脆；阶跃应变下G′可部分恢复，源于动态Schiff-base可逆性。黏附与机械性能：水凝胶可黏附橡胶、金属、玻璃及鸡心肝肺等组织，靠Schiff-base、氢键、静电与范德华力；压缩试验中COM0抗压65.8 kPa，COM1、COM2仅2.24、4.46 kPa，离子交联增密但致脆。抗菌性能：对大肠杆菌(E. coli)与金黄色葡萄球菌(S. aureus)有抑菌作用，对革兰氏阴性菌更强，但网络固定CMCS致释放受限，抗菌总体有限。抗氧化与细胞内ROS：ABTS清除率约80%，源于CMCS羟基/氨基的氢转移与电子转移；H₂O₂诱导下 hydrogel 提取物使NIH 3T3内ROS荧光显著减弱，接近空白。止血与溶血：小鼠尾截断模型中COM1、COM2失血约77.7、75 mg，显著低于对照391.7 mg，COM2止血时间50.3 s，COM0、COM1亦短于对照；溶血率均<5%，满足FDA标准。细胞相容性：活死染色以绿色活细胞为主，CCK-8显示72 h仍高活力，支持成纤维细胞黏附增殖。细胞迁移：12 h划痕迁移率对照58.43%、COM0 62.62%、COM1 58.24%、COM2 55.41%；Mg²⁺组略降但无细胞毒性，不促进也不损害迁移。

讨论部分总结：研究人员指出，OHA/CMCS Schiff-base网络本身缺乏离子生物活性，直接引入游离Mg²⁺而非包埋于MOF或纳米粒，可兼得共价网络动态性与Mg²⁺促凝、抗氧化生物活性；Mg²⁺虽提升止血与ROS调控，但使网络刚脆、压缩强度下降、临界应变降低，且因聚合物被Mg溶液稀释，COM2相对COM1未进一步变脆；抗菌受CMCS固定化限制，后续可借降解释放低聚CMCS增强；该体系为出血控制与氧化微环境调控提供易制备、仿生、可注射平台，但完整临床适应证、胶原沉积、再上皮化、血管生成与巨噬细胞极化等仍需针对具体伤口类型进一步研究。

结论部分翻译：本研究通过动态希夫碱键结合Mg²⁺配位，利用OHA与CMCS成功制备多功能生物医学水凝胶。该水凝胶具互联孔结构、优良可注射性、自愈合与湿润组织黏附性，可适应不规则伤口；Mg²⁺修饰显著提升止血表现，并具备良好抗氧化、血液相容与细胞相容性能，有助于缓解氧化应激损伤、支持细胞存活，打破感染—炎症—愈合延迟循环。固定OHA/CMCS配比与总体积时，Mg溶液增量会使总聚合物浓度由COM0的4% (w/v) 降至COM2的2% (w/v)，可能带来次级干扰，后续应定量研究离子释放行为以厘清结构—生物活性关系。本研究为开发具止血与抗氧化双重功能的注射型水凝胶奠定基础，在伤口护理、止血辅助与生物活性敷膜方面具潜力；尚需评价其愈合效率是否达临床要求，并围绕胶原沉积、再上皮化、血管生成及巨噬细胞极化开展特定伤口类型的定制研究，以明确该系统如何形成修复性离子微环境并推动伤口由炎症期进入组织再生期。