吳益棟 洪 丹 郝文娟 葉 棟

(寧波大學(xué)附屬李惠利醫(yī)院，浙江 寧波 315040)

引言

高分子水凝膠是通過物理作用或化學(xué)鍵交聯(lián)形成的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的軟濕材料，由于其類似天然細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，并具有良好的生物相容性以及可調(diào)的力學(xué)性能，在生物醫(yī)學(xué)與組織工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[1-3]。相比共價交聯(lián)水凝膠，可注射自愈合水凝膠是一種通過動態(tài)共價鍵或非共價鍵交聯(lián)的新型水凝膠，在剪切力作用下可屈服流動，應(yīng)力撤銷后又能自修復(fù)損傷結(jié)構(gòu)，因此受到了科學(xué)界和醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[4-6]。

可注射水凝膠實(shí)現(xiàn)剪切“凝膠-溶膠”流動轉(zhuǎn)變和“溶膠-凝膠”自愈合轉(zhuǎn)變依賴于動態(tài)進(jìn)行的交聯(lián)過程，如席夫堿鍵[7]、酰腙鍵[8]和硼酸酯鍵[9]等動態(tài)化學(xué)鍵以及氫鍵作用、金屬配位作用、主—客體作用、離子作用和親疏水作用[10]等已被廣泛用于制備可注射自愈合水凝膠。但基于這些反應(yīng)與作用的動態(tài)水凝膠，仍面臨凝膠化速度、自愈合速率慢等問題[11-12]。比如，Eelkema 等基于動態(tài)巰-炔雙加成反應(yīng)，制備了可注射自愈合的細(xì)胞相容的聚乙二醇水凝膠，但該水凝膠的凝膠化時間需要30 min，且網(wǎng)絡(luò)聚合物固含量的質(zhì)量濃度高達(dá)10%[13]。

為了提高動態(tài)水凝膠的凝膠化和自愈合速率，降低凝膠固含量，研究人員建立了諸多策略。比如，Xia 等[14]在動態(tài)酰腙反應(yīng)體系中引入小分子催化劑，實(shí)現(xiàn)了1 min 內(nèi)快速凝膠化；但這些催化劑會從水凝膠體系中擴(kuò)散出去，不但降低了水凝膠的快速降解，而且還存在一定的細(xì)胞毒性風(fēng)險。因此，發(fā)展無催化劑體系的快速交聯(lián)的可注射動態(tài)水凝膠，已成研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[15]。

本研究基于水溶性甲基丙烯?；瘹ぞ厶?methacrylated chitosan CHMA)和醛基化透明質(zhì)酸(aldehyde hyaluronic acid ALHA)，協(xié)同利用CHMA與ALHA 分子上的氨基與醛基、氨基與羧基，形成動態(tài)席夫堿鍵和靜電作用，制備了5 s 內(nèi)超快交聯(lián)的水凝膠。通過流變、體外細(xì)胞三維培養(yǎng)，分析了該動態(tài)水凝膠的可注射特征和細(xì)胞相容性，并基于急性全層皮膚缺損模型，探究了該水凝膠對皮膚創(chuàng)傷愈合的功能。

1 材料和方法

1.1 材料

甲基丙烯?；瘹ぞ厶?CHMA，殼聚糖脫乙酰度>95%，甲基丙烯?；〈燃s22.6%)和醛基化透明質(zhì)酸(ALHA，透明質(zhì)酸分子量:50～70 kDA，醛基化度約20%)，由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物醫(yī)用高分子材料實(shí)驗(yàn)室支持提供，通過醫(yī)用酒精浸泡進(jìn)行無菌處理，用于細(xì)胞培養(yǎng)和皮膚修復(fù)氯化鈣購自阿拉丁試劑(上海)有限公司。

1.2 動態(tài)水凝膠

分別溶解CHMA 和ALHA，制備質(zhì)量濃度為1.5%和6.0%的水溶液，并向CHMA 水溶液中溶解100 mM 氯化鈣，作為降低靜電作用的屏蔽劑。隨后，將體積比為1∶1 的兩種溶液在渦旋振蕩器上快速混合，即可獲得CHMA-ALHA 動態(tài)水凝膠。

1.3 材料表征方法

1.3.1 可注射性和自修復(fù)性能測試

1)配制一定溶脹比的水凝膠充填入注射器，推動注射器活塞將水凝膠通過針頭擠出，觀察是否具有完整形狀；

2)CHMA-ALHA 水凝膠用靛藍(lán)染色，然后將染色后的水凝膠和原始未染色的水凝膠拼接在一起，在室溫下放置一定時間，然后用鑷子對樣品的自愈合性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3.2 流變性能測試

本研究采用動態(tài)流變分析儀(DHR-2，TA Instrument，美國)，對制備的CHMA-ALHA 動態(tài)水凝膠的流變行為進(jìn)行測試，測試溫度為37℃，模具的板間距為1 mm。

1)固定頻率為10 rad/s，掃描時間為180 s，對樣品進(jìn)行時間掃描，用于表征其凝膠化速率；P2)應(yīng)變設(shè)置為0.5%，且剪切速率由0.1～100 s－1，對樣品進(jìn)行頻率掃描，用于表征其剪切變稀行為；

3)應(yīng)變設(shè)置為1%，大應(yīng)變設(shè)置為1 000%，對樣品進(jìn)行交替應(yīng)變掃描，用于表征其自愈合特征。

1.3.3 細(xì)胞相容性測試

本研究采用由寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院支持提供的第4代SD 大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchyml stem cells BMSCs)，對該水凝膠進(jìn)行細(xì)胞相容性評估。將細(xì)胞懸浮液與ALHA 溶液混合，并均勻分散到CHMA 溶液中，制得負(fù)載大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的CHMA-ALHA 動態(tài)水凝膠。然后，將水凝膠置于完全培養(yǎng)液(10%胎牛血清，1%青霉素－鏈霉素雙抗和89% DMEM 低糖培養(yǎng)基組成)中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為37℃，設(shè)置的培養(yǎng)時間分別為4、12、24 h。最終，采用細(xì)胞染色法和熒光倒置顯微鏡(Olympous，IX73)，分別對不同培養(yǎng)時間的水凝膠中的細(xì)胞存活率進(jìn)行計算，從而用于CHMA-ALHA動態(tài)水凝膠與大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的相容性評估。BMSCs 細(xì)胞存活率的計算公式為

1.3.4 急性全層皮膚創(chuàng)傷修復(fù)測試

本研究以雄性ICR 小鼠(浙江維通利華實(shí)驗(yàn)動物技術(shù)有限公司，動物合格證號:SCXK(浙)2018-0001))為研究對象，建立全層皮膚創(chuàng)傷模型。

1)設(shè)置空白對比，研究CHMA-ALHA 動態(tài)水凝膠對創(chuàng)傷的修復(fù)效果，根據(jù)傷口的直徑(最長值和最窄值平均值)在術(shù)后第3、7、14、21 d 的變化，確定傷口的恢復(fù)速率。

2)同時，對上述時間點(diǎn)(術(shù)后第3、7、14、21 d)取樣組織切片(5 μm)；切片冷凍包埋后，經(jīng)HE、Masson 三色染色，觀察其真皮和表皮的修復(fù)效果。樣本總量為24 只，每個時間點(diǎn)取6 只。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)反應(yīng)配比配置CHMA-ALHA 水凝膠，利用注射器擠出和剪切拼搭的方法，對水凝膠的自修復(fù)性能進(jìn)行研究，觀察水凝膠的自修復(fù)情況。

利用動態(tài)流變分析儀，對制備的CHMA-ALHA動態(tài)水凝膠的流變行為進(jìn)行測試，通過設(shè)置不同的測試參數(shù)，研究該水凝膠體系的凝膠化速率、樣品在不同剪切速率下的剪切變細(xì)行為，以及樣品在應(yīng)變變化過程中的自愈合行為。

在確認(rèn)該水凝膠體系具有優(yōu)異自修復(fù)性能的基礎(chǔ)上，將水凝膠體系與細(xì)胞懸浮液進(jìn)行混合，制備負(fù)載大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的CHMA-ALHA 動態(tài)水凝膠，然后將其置于完全培養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，設(shè)置培養(yǎng)溫度為37℃，設(shè)置不同的培養(yǎng)時間，通過細(xì)胞染色法和熒光倒置顯微鏡，對不同培養(yǎng)時間的水凝膠中的細(xì)胞存活率進(jìn)行計算，觀察不同培養(yǎng)時間下的細(xì)胞存活率。

接下來，在確認(rèn)CHMA-ALHA 水凝膠具有優(yōu)異細(xì)胞相容性的前提下，以雄性ICR 小鼠(浙江維通利華實(shí)驗(yàn)動物技術(shù)有限公司，動物合格證號:SCXK(浙)2018-0001))為研究對象，建立全層皮膚創(chuàng)傷模型。設(shè)置空白對比實(shí)驗(yàn)，對CHMA-ALHA 動態(tài)水凝膠的創(chuàng)傷修復(fù)效果進(jìn)行觀察，探討CHMA-ALHA水凝膠對創(chuàng)傷修復(fù)效果隨著作用時間變化的規(guī)律。

利用天然化合物，制備具有優(yōu)異自修復(fù)和良好細(xì)胞相容性的水凝膠材料，并基于急性全層皮膚缺損模型，探究該水凝膠對皮膚創(chuàng)傷愈合的功效。

1.5 統(tǒng)計分析

實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3 次，采用SPSS 統(tǒng)計軟件的Studentst檢驗(yàn)進(jìn)行分析，P<0.05 為差異顯著。

2 結(jié)果

2.1 動態(tài)水凝膠制備以及自愈合性能表征

當(dāng)CHMA 溶液與ALHA 溶液等體積混合時，5 s內(nèi)即可形成水凝膠，顯示了較快的凝膠速度。這是因?yàn)?，CHMA 與ALHA 分子上的氨基與醛基、氨基與羧基，可以形成動態(tài)席夫堿鍵和靜電作用，從而構(gòu)建了超快的凝膠化網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)分子的組成與交聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1(a)和(b)所示。圖1(c)是水凝膠經(jīng)注射擠出后的狀態(tài)，注射擠出的水凝膠能夠立刻自愈合，形成穩(wěn)定的凝膠纖維束(見圖1(d))。如圖1(d)所示，在室溫下，兩塊水凝膠接觸1 min 后，即可自愈合而形成整體凝膠，并且可以承受一定的應(yīng)力作用。實(shí)驗(yàn)表明，這些水凝膠具有高效的網(wǎng)絡(luò)愈合能力。因?yàn)樵谀z化網(wǎng)絡(luò)中，由動態(tài)席夫堿鍵和靜電作用形成的交聯(lián)點(diǎn)具有可逆性，從而賦予了該凝膠優(yōu)異的可注射自愈合性能。

圖1 分子結(jié)構(gòu)以及自修復(fù)展示。(a)甲基丙烯?；瘹ぞ厶?CHMA)和醛基化透明質(zhì)酸(ALHA)分子結(jié)構(gòu)；(b)水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；(c)注射擠出自愈合；(d)直接接觸CHMA-ALHA 動態(tài)水凝膠展示水凝膠的快速自愈合性能Fig.1 Molecular structure and picture of rapid self-healing.(a) Scheme of the molecular structure；(b)Hydrogel network of methylacryloyl chitosan (CHMA) and aldehyde hyaluronic acid (ALHA)；(c) The rapid self-healing process for injection；(d) The rapid self-healing process for direct contact CHMA-AlHA

2.2 動態(tài)水凝膠的流變行為

利用動態(tài)流變，通過時間掃描、剪切速率掃描和交替應(yīng)變掃描，分析了水凝膠的凝膠化過程、剪切變稀和自愈合行為。在時間掃描模式下，以恒定頻率(10 rad/s)、0.5%的應(yīng)變進(jìn)行動態(tài)時間掃描。以時間為橫坐標(biāo)、儲能模量(G′)和損耗模量(G″)為縱坐標(biāo)，監(jiān)測其動態(tài)變化。如圖2(a)所示，在動態(tài)交聯(lián)的CHMA-ALHA 水凝膠過程中，隨著時間的推移，該水凝膠材料的G′和G″基本保持平行的恒定值，表明其呈現(xiàn)穩(wěn)定的凝膠狀，這一結(jié)果與凝膠制備的觀察結(jié)果一致，主要?dú)w因于凝膠網(wǎng)絡(luò)中的靜電和動態(tài)席夫堿鍵的協(xié)同作用。雖然該水凝膠具有高的儲能模量0.4 kPa，但隨著剪切速率由0.1 s－1增大到100 s－1，其黏度逐漸降低，可低至8 Pa，說明水凝膠具有剪切變稀的特征，這有利于該凝膠的剪切擠出。進(jìn)一步通過交替應(yīng)變，即1%的小應(yīng)變和1 000%的大應(yīng)變，研究了動態(tài)水凝膠的自愈合性能。由圖2(c)可以看出:在小應(yīng)變下，G′>G″，而經(jīng)歷大應(yīng)變時，G′

圖2 動態(tài)流變分析CHMA-ALHA 水凝膠的凝膠化與可注射特征。(a)時間掃描水凝膠的凝膠化狀態(tài)；(b)剪切速率掃描分析水凝膠的剪切變稀特征；(c)交替應(yīng)變(1%和1 000%)掃描分析水凝膠的快速自愈合Fig.2 Dynamic rheological analysis of the hydrogel and injectability characteristics of the chMA-Alha.(a)Time scanning of the gelation state of the hydrogel；(b) Shear rate scan analysis of shear thinning characteristics of hydrogels；(c) Alternating strain (1%and 1 000%) scanning was used to analyze the rapid self-healing of hydrogels

2.3 動態(tài)水凝膠的細(xì)胞相容性

原位負(fù)載BMSCs 到CHMA-ALHA 水凝膠培養(yǎng)4、12、24 h，通過活死細(xì)胞染色可以標(biāo)記細(xì)胞的狀態(tài)，其中細(xì)胞核染色質(zhì)著綠色為結(jié)構(gòu)正常的活細(xì)胞，細(xì)胞核染色質(zhì)著紅色為非凋亡的死細(xì)胞，且細(xì)胞結(jié)構(gòu)正常。圖3(a)展示了細(xì)胞的存活狀態(tài)和形態(tài)的激光共聚焦熒光圖，細(xì)胞在水凝膠內(nèi)呈球形結(jié)構(gòu)且均勻分散。其中，4 h 內(nèi)細(xì)胞因生長環(huán)境的變化有極少量的死細(xì)胞，但細(xì)胞存活率仍高于95%(見圖3(b))。隨著培養(yǎng)時間延長12 和24 h，死細(xì)胞的含量并未生長，細(xì)胞表現(xiàn)為高活性狀態(tài)，同時其形態(tài)沒有發(fā)生顯著性變化。結(jié)果表明，CHMAALHA 水凝膠具有優(yōu)異的細(xì)胞相容性，這為進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 水凝膠的細(xì)胞相容性(a)激光共聚焦熒光顯微鏡表征活死染色的干細(xì)胞；(b)統(tǒng)計分析細(xì)胞的存活率Fig.3 Cytocompatibility of hydrogels.(a) Pictures of stained stem cells by laser confocal fluorescence microscopy；(b) Cell survival rates within 1 day in hydrogels

2.4 急性全層創(chuàng)傷修復(fù)

以ICR 小鼠皮膚的全層皮膚創(chuàng)傷模型，驗(yàn)證了該天然多糖水凝膠支架的皮膚修復(fù)潛能。圖4(a)展示了皮膚修復(fù)的宏觀觀察照片，結(jié)果可見，相比空白對照組，動態(tài)CHMA-ALHA 水凝膠支架材料顯著提高了全層急性皮膚創(chuàng)傷的愈合速度，降低了皮膚瘢痕的形成，統(tǒng)計分析其愈合時間縮短了5～7 d(見圖4(b))。

圖4 水凝膠的皮膚修復(fù)效果。(a)可注射天然多糖水凝膠支架對于全層皮膚缺損的再生修復(fù)效果；(b)統(tǒng)計分析了組織修復(fù)的動態(tài)愈合Fig.4 Skin repair effect of hydrogels.(a) Photographs of wounds at the 0th，3rd，7th，and 14th day for commercial film dressing (TegadermTM)，hydrogel；(b) The percentage of wound area compared to the original area from day 0 to 14

通過組織切片HE 染色和Masson 三色染色，進(jìn)一步表征了新生肉芽組織的生長與修復(fù)區(qū)域的狀態(tài)。如圖5(a)所示，HE 染色可見水凝膠組在7 d內(nèi)創(chuàng)面就生長出大量的肉芽組織，14 d 后已基本形成了完整的新生皮膚；由圖5(b)可知，對照組在第21 d 創(chuàng)面才形成完整的新生皮膚。Masson 染色結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，14 d 后新生組織內(nèi)生成了大量的膠原纖維，21 d 新生組織內(nèi)部形成了部分毛囊、皮脂腺等附屬器官，而這些附屬器官在對照組中未能觀察到。這些結(jié)果表明，該新型可注射水凝膠在皮膚組織工程方面具有良好的發(fā)展前景。

圖5 HE 和Masson 染色的皮膚組織顯微照片(比例尺:100μm)。(a)水凝膠組；(b)對照組Fig.5 Representative images of HE and Masson(Scale bars，100 μm).(a)Hydrogel；(b)The control

3 討論

動態(tài)交聯(lián)水凝膠是可注射水凝膠中一個重要的研究方向，國內(nèi)外專家在注射動態(tài)交聯(lián)水凝膠方面已經(jīng)做了大量的研究工作。例如，Yesilyurt 等[16]以硼酸衍生物和二醇類化合物為原料，利用兩者能夠形成動態(tài)共價鍵的特性，成功得到了一系列性能可調(diào)的可注射水凝膠材料；Feng 等[17]利用了環(huán)糊精和明膠分子中芳香基團(tuán)之間的主客體相互作用，制備得到一種具有良好力學(xué)性能的可注射水凝膠材料；Burdick 等[18]通過對透明質(zhì)酸和環(huán)糊精進(jìn)行修飾，基于兩衍生物之間的主-客體相互作用，開發(fā)了一系列新型的生物基可注射水凝膠，探究了它們在可3D 生物打印等方面的應(yīng)用。以天然材料為基體設(shè)計得到的可注射水凝膠材料，不僅具備良好的生物相容性和生物活性，還可以為包載的細(xì)胞提供合適的環(huán)境，因此天然高分子材料可注射水凝膠被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域。但同時也需解決很多難題，如水凝膠的流動性與快速凝膠化之間的矛盾，再如催化劑與無毒無害之間的矛盾。

有學(xué)者指出，通過非共價相互作用制備的水凝膠具有剪切變稀和自修復(fù)的特點(diǎn)，有利于制備可注射水凝膠[19-20]。此外，基于席夫堿的反應(yīng)具有在反應(yīng)過程中簡單高效和制備安全(副反應(yīng)為水且不需要額外加入引發(fā)劑)的特點(diǎn)，并且席夫堿鍵作為動態(tài)共價鍵，結(jié)合了共價鍵的穩(wěn)定性和非共價鍵的可逆性，因此席夫堿鍵和靜電作用相結(jié)合有利于解決水凝膠的流動性與快速凝膠化之間的矛盾。殼聚糖來源廣泛、廉價易得，具有良好的生物相容性、安全性和生物降解性，還具有抑菌作用[21]，并能夠促進(jìn)傷口愈合[22]。同樣地，透明質(zhì)酸也具有無毒、可降解及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，本研究提出了以殼聚糖和透明質(zhì)酸為基體，通過對它們進(jìn)行官能團(tuán)修飾，得到包含席夫堿鍵和靜電作用的可注射動態(tài)交聯(lián)水凝膠。采用天然多糖改性的方式，不僅解決了殼聚糖只溶于醋酸的問題，而且使兩者可以在溫和的水環(huán)境中成膠，無需添加額外的交聯(lián)劑和處理過程。CHMA 與ALHA 可以協(xié)同利用其分子上的氨基與醛基、氨基與羧基，形成動態(tài)席夫堿鍵和靜電作用，構(gòu)建出超快凝膠化網(wǎng)絡(luò)。Zhang 等利用殼聚糖上的氨基與遙爪聚乙二醇兩端縮合的苯甲醛基，制備了具有動態(tài)席夫堿的自愈合水凝膠。當(dāng)該水凝膠被中間穿孔后，可以在15 min 內(nèi)觀察到空洞消失，且在擠出針頭后30 min 后才能恢復(fù)初始凝膠狀態(tài)[23]。與其相比，CHMA-ALHA 動態(tài)水凝膠在相互接觸后可以在1 min 左右愈合，并且可以承擔(dān)一定的張力，這主要?dú)w因于凝膠網(wǎng)絡(luò)中的靜電和動態(tài)席夫堿鍵的協(xié)同作用，并且進(jìn)一步通過研究動態(tài)水凝膠的流變行為發(fā)現(xiàn)，其不僅具有剪切變稀的特點(diǎn)，而且隨著大小應(yīng)變反復(fù)更替，G′與G″都能夠迅速切換轉(zhuǎn)變，并且模量基本未發(fā)生改變，這都表明了動態(tài)CHMA-ALHA 水凝膠具有快速自愈合性能，具有可注射性。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)以及動物實(shí)驗(yàn)證明，該水凝膠不僅具有超快的交聯(lián)速度以及較強(qiáng)的可注射性，還具有良好的生物相容性和生物活性，這主要?dú)w因于殼聚糖和透明質(zhì)酸優(yōu)異的生物相容性。因此，該水凝膠是一種非常有應(yīng)用前景的可注射水凝膠材料，在生物醫(yī)藥、組織功能、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

本研究提出了一種基于多糖衍生物甲基丙烯酰化殼聚糖(CHMA) 和醛基化透明質(zhì)酸(ALHA)，協(xié)同利用CHMA 與ALHA 分子上的氨基與醛基、氨基與羧基，形成動態(tài)席夫堿鍵和靜電作用，實(shí)現(xiàn)了5 s 內(nèi)超快交聯(lián)的水凝膠。首先，通過一系列體外實(shí)驗(yàn)，證明了該水凝膠不僅具有剪切變稀、快速自愈合能力，而且還具有良好的細(xì)胞相容性；然后再通過動物實(shí)驗(yàn)證明了該水凝膠在皮膚修復(fù)方面具有較大的潛能。該研究主要為皮膚修復(fù)材料的選擇提供新的思路。