鑽石舞台

■近日，西南科技大學張紅平副研究員團隊，在國際知名期刊Advanced Healthcare Materials上發表題為「Sponge-Like Macroporous Hydrogel with Antibacterial and ROS Scavenging Capabilities for Diabetic Wound Regeneration」的研究論文。

該論文首次通過由 Ti3C2 MXene誘導的簡便、快速而穩健的方法，開發了一種具有穩定大孔結構和抗膨脹性能的新型海綿狀大孔水凝膠 (SM-hydrogel)。首先，Ti3C2 MXene通過其獨特的氧化還原能力促進過硫酸銨（APS）分解，從而促進羥基自由基的快速產生，並由此引發SM-水凝膠的快速凝膠化。其次，APS還可以通過MXene催化分解快速產生足夠的NH3和O2等氣體，從而在MXene納米片周圍形成氣孔結構。最終，快速成型的強交聯網絡鎖定氣孔結構，並在整個水凝膠網絡中形成堅硬的連接性多孔結構。

■具有柔軟和濕潤特性的水凝膠已被深入研究用於慢性疾病組織修復。然而，高含水量的組織工程水凝膠通常同時具有小孔隙尺寸和低防水能力，從而導致不良的手術結果。

鑑於此，西南科技大學材料與化學學院張紅平副研究員團隊通過一種簡單、快速且穩健的方法，由Ti3C2 MXene添加劑誘導丙烯酰胺化多巴胺（MADA）修飾的聚丙烯酸水凝膠的快速凝膠化，開發了一種具有穩定的大孔結構和抗溶脹性能的新型海綿狀大孔水凝膠(SM-水凝膠)。Ti3C2 MXene誘導的SM-水凝膠在高含水量下（80 %含水量）具有200-300 μm的開放大孔，表現出理想的物質滲透能力，其水/血液運輸速度比無孔水凝膠高約20倍。此外，Ti3C2 MXene與聚合物鏈之間的強相互作用賦予SM-水凝膠優異的抗溶脹能力，有望成為同時具有大孔結構和堅韌機械性能的水凝膠。SM-水凝膠具有的多種功能，例如促進物質轉運、抗菌(SMPAAM中的細菌存活率低於25%)和活性氧(ROS)清除能力(120分鐘時清除率為96%)協同促進糖尿病傷口癒合(與無孔水凝膠相比，傷口癒合率在7天內從39%增加到81%)，顯示了其在創傷組織工程中的巨大潛力。

■作者首先通過Ti3C2 MXene促進過硫酸銨(APS)的分解反應快速生成羥基自由基引發丙烯酸(AA)快速聚合製備SMPAA水凝膠。為了進一步賦予SM-水凝膠增強的抗氧化和細胞粘附能力，在貽貝仿生化學的啟發下通過AA和丙烯酰胺化多巴胺(MADA)的共聚以相同的方法獲得SMPAAM。Ti3C2 MXene通過其獨特的氧化還原能力促進過硫酸銨（APS）分解，從而促進羥基自由基的快速產生，並由此引發SM-水凝膠的快速凝膠化。其次，APS還可以通過MXene催化分解快速產生足夠的NH3和O2等氣體，從而在MXene納米片周圍形成氣孔結構。最終，快速成型的強交聯網絡鎖定氣孔結構，並在整個水凝膠網絡中形成堅硬的連接性多孔結構。該孔結構賦予SM-水凝膠優秀的物質傳輸能力。

圖 2. 海綿狀大孔水凝膠的快速凝膠及其微觀結構的表徵。(a) PAA、PAAM、SMPAA和SMPAAM水凝膠的形成過程和顏色隨時間變化的照片；(b) APS溶液、紫外光輻射下的APS溶液和Tx/APS（不同濃度Ti3C2 MXene和APS混合溶液，x代表Ti3C2 MXene濃度）的5,5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物(DMPO)捕獲ESR光譜）；(c) PAAM和SMPAAM(1h, 24h)水凝膠的XRD光譜；(d) PAA、PAAM、SMPAA SMPAAM水凝膠的光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)圖像（所有比例尺=500 μm）；(e)水凝膠的水和(f)血液滲透圖像。

■作者通過對比實驗、分子動力學模擬揭示了SM-水凝膠的抗溶脹機理，首先，Ti3C2 MXene的加入導致在整個SM-水凝膠預聚物溶液中產生大量自由基，這使得AA和MADA能夠快速共聚，並具有高度共價交聯。其次，共聚物鏈的羧基(-COOH)和羥基(-OH)以及酰胺基(-CO-NH-)可以與Ti3C2 MXene(或其氧化產物TiO2@C)的表面封端官能團(-O，-OH，-F)相互作用，形成各種類型的氫鍵。第三，來自多價鈦 (Ti2+、Ti3+和Ti4+)的豐富電子可以有效地促進Ti3C2 MXene (TiO2@C)與PAA或聚(AA-co-MADA)網絡之間的配位反應。以上三種途徑使得水凝膠網絡具有高交聯密度，而高的交聯密度將有效提升水凝膠的抗溶脹性。

■與傳統的水凝膠相比，由於Ti3C2 MXene與水凝膠分子鏈之間的強相互作用，我們的SM-水凝膠即使在平衡狀態下也顯示出優異的機械穩定性。

■Ti3C2 MXene原位氧化形成的TiO2/Ti3C2或TiO2/C異質結有助於電荷載流子的轉化，其表現出比純TiO2更高效的光催化能力。在相同的光照條件下，來自氧化Ti3C2 MXene的TiO2@C相比純TiO2納米粒子可以產生更多的自由基，因此SM-水凝膠表現出比搭載相同重量的TiO2納米粒子的水凝膠更高的抗菌活性。

圖 5. SM-水凝膠對大腸桿菌和表皮葡萄球菌的體外抗菌活性。a)大腸桿菌和表皮葡萄球菌菌落瓊脂平板照片，SEM 圖像顯示與水凝膠孵育後大腸桿菌和表皮葡萄球菌的形態變化；b)和 c)大腸桿菌和表皮葡萄球菌菌落的相應統計數據。

■SMPAAM水凝膠突出的糖尿病傷口治療能力歸因於多種功能的協同作用。首先，SMPAAM水凝膠具有令人滿意的生物相容性以允許細胞存活和增殖。其次，SMPAAM水凝膠的孔徑(200-300 μm)大於水凝膠支架內營養物質擴散所需的最小孔徑(30-40 μm)閾值，並且水凝膠的大孔結構將促進細胞的粘附和增殖，並增加血管形成。然後，SMPAAM的抗菌活性可以避免傷口組織細菌感染，並且SMPAAM水凝膠的令人滿意的抗氧化能力減弱了ROS對細胞的氧化損傷(例如脂質、蛋白質和DNA氧化)。更重要的是，SMPAAM水凝膠能夠在潮濕環境中長時間保持大孔和堅韌的機械強度，以抵抗外界刺激。多種功能的協同作用使得SMPAAM水凝膠在修復糖尿病皮膚傷口方面具有巨大的潛力。

圖 6.SMPAAM 水凝膠對糖尿病傷口的癒合效果。(a) SMPAAM水凝膠治療糖尿病傷口的工藝；(b) PAA、PAAM 和 SMPAAM 水凝膠組和對照組第0天至第 14 天未進行水凝膠敷料處理的傷口的代表性照片，比例尺：2 mm；(c)不同時期的傷口痕跡和傷口面積；(d)每組新再生皮膚組織第 7 天和第 14 天的 HE 和 Masson 染色。比例尺：500 μm。

■總之，本研究證明了一種簡單而新穎的快速凝膠化海綿狀大孔水凝膠的製備策略，它具有創傷癒合和組織修復等多種功能。Ti3C2 MXene誘導的SM-水凝膠同時具有大孔結構(200-300微米)、抗機械疲勞性、抗溶脹和抗菌能力，多種功能的協同效應改善糖尿病傷口癒合 (傷口癒合7天時，傷口閉合率達到81%)。該研究提出的通用方法不僅解決了水凝膠在各種介質條件下的宏觀/微觀結構、有效性、抗機械疲勞性和耐久性等基本問題，而且可用於生物醫學應用中的實際應用。該設計策略為下一代生物工程水凝膠的設計提供了見解■感謝作者對本文的大力支持！