水凝胶由于良好的亲水性、生物相容性和与原生细胞外基质（ECM）高度类似的结构而成为了一类极具前景的创面护理材料。这类材料可以在创面形成一层物理屏障，并为创面修复创造一个湿润的环境。其中，大量的天然高分子基水凝胶材料（如透明质酸、壳聚糖和海藻酸盐等）已经被广泛应用于伤口敷料中，以促进皮肤再生。然而，这种天然高分子水凝胶通常十分脆弱，当暴露在外界张力下容易破裂，从而可能存在外界细菌入侵造成伤口感染的潜在风险。因此，开发具有足够强度和自愈合能力的天然水凝胶用于加速皮肤伤口愈合仍然是一个挑战。
日前，武汉纺织大学周应山教授、澳大利亚国立大学Pu Xiao和郑州大学第一附属医院赵言腾，利用肼改性的透明质酸钠（DHA）、醛改性的透明质酸钠（AHA）、醛改性的纤维素纳米晶体（oxi-CNC）和富血小板血浆（PRP）为原料，通过席夫碱反应原位形成一种具有自修复能力的纳米复合天然水凝胶ADAC@ PRP（图1）。其中ADAC水凝胶对PRP具有可持续性的保护和释放作用。在创面修复过程中，ADAC@ PRP通过促进肉芽组织的形成、胶原沉积、加速表皮细胞再生和新生血管的形成，显著促进全层皮肤创面愈合。相关工作以“Self-Healing Hyaluronic Acid Nanocomposite Hydrogels with Platelet-Rich Plasma Impregnated for Skin Regeneration”发表在《ACS NANO》。
图1. 自愈合透明质酸纳米复合水凝胶与PRP用于皮肤再生示意图
水凝胶的合成与表征
将溶液A（如AHA溶液、oxi-CNC悬液）和溶液B（如DHA溶液）用双管注射器按1：1体积比快速混合，形成水凝胶。首先通过FTIR光谱（图2a）和XRD（图2b）分析证明，AHA或oxi-CNC上的醛基和DHA上的肼基之间通过席夫碱反应形成了C-N键。凝胶化时间是可注射水凝胶敷料的一个重要参数，因为凝胶化太慢通常会导致凝胶前体从注射部位向外扩散。研究者利用流变学分析（图2c）发现所有水凝胶的储能模量（G′）都在短时间内增加并超过了损耗模量（G″），表明席夫碱反应的发生。此外，在ADA水凝胶中引入oxi-CNC后，凝胶点从~ 40 s变为~ 20 s，这可能表明oxi-CNC可以促进溶胶-凝胶转变过程。研究者还发现ADAC水凝胶具有最高的平衡G′（几百Pa），而DAC具有最低的平衡G′（几十Pa）。这意味着ADAC水凝胶是较硬，而DAC水凝胶是较软。而高硬度的水凝胶则有利于成纤维细胞在其表面进行迁移，因此ADAC水凝胶有望成为一种有前途的伤口敷料。进一步对所有水凝胶进行频率扫描（图2d），在0.1~ 10 rad/s的角频率范围内，G′始终高于对应的G″，说明这些水凝胶结构稳定，具有类似固体的弹性。最后利用SEM对其微观形貌进行分析发现所有水凝胶均具有相对光滑孔壁的多孔微结构，其中ADAC水凝胶似乎比其他水凝胶更为致密，这主要是由于oxi-CNC的引入提高了交联密度所导致的（图2g）。
图2. 透明质酸纳米复合水凝胶的形成
自修复能力的研究
研究者采用直接目视法研究了透明质酸纳米复合水凝胶的宏观自修复能力。将两张水凝胶在室温下沿切线接触。在没有任何外界刺激的情况下，两块水凝胶融合后愈合成一个完整的水凝胶，并且合并后的水凝胶经受住了拉力而没有断裂（图3a）。在显微镜下观察发现，两个水凝胶片（ADAC）连接处的缝隙在4h后几乎消失（图3b）。以上结果表明，透明质酸纳米复合水凝胶具有良好的自修复能力。进一步对原始和自愈合后样品进行拉伸测试发现，愈合4 h后，ADA和ADAC水凝胶均能恢复其应力和应变，自愈效率为~100%（图3c-d）。除了静态载荷下的自修复行为外，研究者通过流变学测试进一步研究了透明质酸纳米复合水凝胶的动态自修复行为。ADAC和DAC水凝胶均表现出类液体和类固体的交替转变，在没有任何外部刺激的情况下，G′对原始储能模量的恢复值均超过95%。更重要的是，ADAC和DAC水凝胶的G′可以在低应变的情况下立即恢复，从而证明了其快速有效的自修复能力（图3e-f）。这种自修复能力主要归因于水凝胶网络中的动态酰腙键、氢键和二硫键。通过可逆共价键和氢键的动态裂解和再生不断发生使得水凝胶可以在不受外界刺激的情况下自动恢复损伤。
图3. 水凝胶的自修复行为
体内创面愈合实验
首先将PRP负载入ADAC水凝胶中，PRP的-NH2基团与ADA和oxi-CNC的-CHO基团发生席夫碱反应，最终形成ADAC@PRP水凝胶。将ADAC@PRP水凝胶应用于体内创面愈合实验（图4a）发现，ADAC@PRP组在整个愈合过程中伤口愈合速度比其他组更快。具体到治疗后第5天（图4b-c），ADAC@PRP组创面闭合率为59.70 ±8.07%，显著高于纱布组（44.32±3.02%）和凝胶组（48.89±11.05%），并且在第10天和第15天也观察到相同的趋势。值得注意的是，ADAC@PRP组损伤部位明显形成了丰富的肉芽组织（图4d），肉芽组织明显较纱布组和凝胶组更厚。以上结果表明ADAC@PRP水凝胶可以加速伤口愈合。
图4. ADAC@PRP水凝胶在大鼠全层创面模型中的体内评价
创面愈合机制
为了进一步阐明ADAC@PRP在愈合过程中的作用机制，研究者首先观察创面胶原沉积情况发现，与其他组相比，ADAC@PRP组的胶原沉积更致密、更规律（图5a-b）。进一步，对创面处的巨噬细胞极化程度分析发现，ADAC@PRP通过释放水凝胶中的PRP来刺激巨噬细胞向M2型发生极化，因此ADAC@PRP组中M2巨噬细胞百分比最高，分别是凝胶组和纱布组的1.4倍和2.5倍（图5c-d）。最后通过分析不同组中新生血管程度发现，ADAC@PRP组创面周围皮下组织新生血管最为明显，可以有效地向伤口部位输送氧气、营养物质和生长因子，从而促进伤口修复（图5e-f）。
图5. 免疫荧光染色分析全层皮肤损伤的愈合机制
小结:在本研究中，研究者通过席夫碱反应原位形成一种具有自修复能力的纳米复合天然水凝胶ADAC@ PRP（图1）。其中ADAC水凝胶对PRP具有可持续性的保护和释放作用。在创面修复过程中ADAC@ PRP通过促进肉芽组织的形成、胶原沉积、加速表皮细胞再生和新生血管的形成，显著促进全层皮肤创面愈合。这种负载有PRP的自愈合纳米复合水凝胶是一种具有前途的创面修复材料。
