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福州大學黃達/南科大吳德成 AHM：集成pH探針和超聲響應性微囊的可注射水凝膠用于傷口可視化監測和按需治療

2024-01-16 來源：高分子科技

感染會導致傷口愈合延遲，甚至引起敗血癥或膿毒性休克，最終導致截肢甚至死亡等嚴重后果。因此，對傷口感染狀態進行實時監測，并在必要時及時提供治療，在傷口護理中極其重要。近年來，水凝膠敷料因其具有良好的生物相容性和可定制化的多種功能在傷口護理中受到關注。特別是集成實時感染監測系統和（或）藥物釋放功能的的智能水凝膠敷料，有望及時偵測到感染并予以治療，有效促進傷口愈合。然而，能夠利用同一敷料同時監測感染并按需給予治療的智能敷料依然鮮有報道。此外，目前對傷口感染的監測主要依賴于可檢測pH、溫度等傷口感染特征標志物的柔性電子器件，存在成本高、不可降解、需要預制成型導致難以適應不規則傷口等不足。另一方面，水凝膠的藥物釋放功能也主要是通過被動釋放的方式實現，難以實現藥物遞送的精準可控。

近日，福州大學黃達/林振宇/翁祖銓課題組與南方科技大學吳德成課題組聯合報道了一種同時具有可視化監測傷口感染和超聲響應性可控給藥功能的可注射水凝膠智能敷料，用于傷口的智能護理。該研究以食品來源的紫薯花青素作為pH探針，以聚乳酸微囊作為超聲響應性藥物載體，將二者包埋到四臂聚乙二醇交聯形成的可注射水凝膠中，制備得到智能水凝膠敷料。

圖1. 智能傷口敷料制備在傷口護理中的應用示意圖。

該水凝膠中的紫薯花青素可以在pH=5~9的范圍內發生肉眼可見的顏色變化，而傷口發生感染和愈合過程中微環境pH的變化也在此范圍，因此可以通過敷料顏色的變化判斷傷口是否發生感染以及是否處于愈合過程。而其中的聚乳酸微囊可以在超聲作用下破裂，快速釋放藥物，并且其釋放速率可以通過超聲功率進行調控。因此，利用該敷料可以實現傷口狀態的目視檢測，而在監測到感染后，可以通過超聲控制藥物的釋放，及時并精準地予以治療。制備水凝膠敷料的原料為食品來源的天然產物或已獲FDA批準的合成醫用高分子，因此具有良好的生物相容性。該水凝膠利用雙通道注射器混合形成，具有可注射性，可以適應不規則形狀的傷口。該研究構建了小鼠全層皮膚傷口急性感染模型和糖尿病慢性傷口模型，系統評價了該智能傷口敷料檢測傷口感染和通過按需治療促進傷口愈合的能力。

圖2.水凝膠的pH檢測能力。（A）AP和ACPP水凝膠在不同pH下的顏色變化；（B）水凝膠在不同pH下的紫外-可見吸收光譜；水凝膠圖片的（C）RGB通道分離與（D）線性擬合。

包載有微囊的ACPP水凝膠和不包載微囊的AP水凝膠在不同pH下均呈現肉眼可分辨的顏色變化（圖2A），說明微囊的加入不會影響水凝膠的pH檢測功能。其紫外-可見光譜也在pH由5變化到9時，呈現明顯的紅移（圖2B），與肉眼觀測結果一致。但由于肉眼分辨的局限性，通過肉眼觀測僅能實現粗略的判斷。為進一步提高pH檢測的準確性，作者對所得圖片進行了RGB通道分離，分析發現R和B通道的和與pH值之間存在線性關系（圖2C-D）。因此，可以利用手機只能軟件對水凝膠圖片進行分析，得到準確的傷口pH值，從而更為精準的判斷傷口的微環境和狀態。

圖3. 水凝膠的超聲響應性藥物釋放和抗菌活性。（A）體外藥物釋放的模型示意圖；（B）水凝膠在無超聲、間歇超聲和持續超聲時的藥物釋放曲線；（C）水凝膠在不同超聲功率下的藥物釋放曲線；金黃色葡萄球菌和水凝膠共培養4小時并經不同處理后的（C）菌落照片和（D）定量分析。

為了更好地模擬傷口護理應用中水凝膠敷料僅有一側接觸傷口的情形，構建了如圖3A所示的藥物釋放模型。體外藥物釋放實驗表明水凝膠中負載的抗生素頭孢唑林鈉（CS）在超聲停止時幾乎完全不釋放，而在超聲處理時發生快速釋放（圖3B），而且隨著超聲功率提高，藥物釋放速率明顯提高（圖3C）。這些結果說明可以精準的通過超聲控制水凝膠中負載藥物的釋放。而體外抗菌實驗亦表明，不進行超聲處理時，水凝膠抗菌活性較弱，因為被動擴散釋放的CS很少；而在進行超聲處理后，水凝膠的抗菌活性大大增強（圖3C-D）；進一步說明可以通過超聲精準控制抗生素的釋放從而調控其抗菌活性。

圖4. 水凝膠的體內檢測pH能力和超聲響應性抗菌活性。（A）實驗流程示意圖；（B）不同時間點傷口和水凝膠敷料的代表性圖片；（C）通過水凝膠檢測到的pH值；實驗結束后傷口組織勻漿液平板培養后的（D）菌落圖片和（E）定量分析。

為了評估水凝膠在實際傷口中檢測pH并給予按需治療的能力，構建小鼠全層皮膚傷口后，第三天在傷口處接種金黃色葡萄球菌并使用水凝膠敷料，第四天觀察敷料顏色判斷pH，然后施以不同處理，第五天記錄水凝膠顏色以計算pH并提取傷口組織，通過平板培養判斷傷口的實際菌落數（圖4A）。如圖4B所示，一開始敷料均呈現紫紅色，與正常傷口的弱酸性一致。接種細菌后的第二天，水凝膠均變為綠色，提示傷口微環境變為堿性。經RGB分析，其pH值分別為8.77、8.75、8.86左右（圖4C）。同時，傷口滲出液明顯增多，這些都是典型的感染癥狀。而在經過不同處理后，第二天可以觀察到超聲組敷料回復為紫紅色，其pH值為6.49，而未經超聲處理組和未載藥的對照組敷料仍呈現綠色，檢測出的pH值分別為8.06和7.53。提取傷口組織勻漿后進行平板培養，結果表明未超聲組菌落數與對照組相比略有降低，而超聲組的菌落數顯著下降（圖4D-E），與體外抗菌結果一致。這些結果表明水凝膠敷料在體內也可以實現良好的pH檢測能力和超聲響應性藥物釋放和抗菌活性。

圖5. 水凝膠監測并促進慢性傷口修復的能力。（A）實驗流程示意圖；（B）不同時間點傷口的代表性圖片；（C）傷口愈合軌跡；（D）17天后傷口面積的定量分析；（E）不同時間點由 pH試紙和水凝膠測得的傷口pH。

慢性傷口極易發生感染，若未能及時治療，形成頑固的生物膜后，則極難治療，可能導致感染性休克和截肢等嚴重后果，因此及時檢測感染并予以治療在慢性傷口護理中尤為重要。為評估該水凝膠在慢性傷口護理中的應用潛力，作者構建了小鼠糖尿病傷口模型，使用不同敷料進行護理，其中智能敷料組在通過凝膠顏色變化檢測到感染后即予以10分鐘超聲處理（圖5A）。如圖5B-D所示，只能水凝膠敷料組展現了最好的愈合效果，17天后傷口基本完全閉合。在實驗的第二、四、六天分別用精密pH試紙檢測傷口pH，同時根據水凝膠顏色計算pH值，經過比較，發現二者相差極小，進一步證明利用該水凝膠敷料可以在無需拆開敷料的情況下準確檢測傷口pH，從而判斷感染狀況。這些結果表明，該水凝膠敷料在慢性傷口的護理中有很好的應用前景。

該研究以“Injectable Hydrogels with Integrated pH Probes and Ultrasound-Responsive Microcapsules as Smart Wound Dressings for Visual Monitoring and On-Demand Treatment of Chronic Wounds”為題發表在Advanced Healthcare Materials期刊上。福州大學生物科學與工程學院講師黃達博士和研究生杜佳豪（現為廈門大學材料學院博士生）為論文共同第一作者，通訊作者為福州大學化學學院林振宇教授、生物科學與工程學院翁祖銓教授和南方科技大學生物醫學工程系吳德成教授。該研究得到國家自然科學基金項目和福建省自然科學基金項目的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202303379

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（責任編輯：xu）

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