多倫多大學《材料化學》3D打印鐵螯合碳點傳感的抗菌水凝膠敷料

來源：Macromolecule

【科學背景】

皮膚可作為抵抗外源病原體的屏障，同時保留體液及其隔熱作用。傷害，燒傷或潰瘍破壞了這種保護機制，并為傳染性病原體的進入提供了途徑。傷口敷料是醫(yī)療和藥物傷口治療的關鍵部分。盡管其主要作用是保持傷口濕潤，但除了降低治療成本外，還需要改善傷口愈合過程的傷口敷料。

先進的傷口敷料經(jīng)過精心設計，可釋放抗菌劑或生長因子，加速傷口閉合，或感知并監(jiān)測傷口狀態(tài)的變化。傷口敷料材料的適當選擇還影響預期功能。例如，pH響應或溫度響應材料已用于局部釋放負載在敷料中的特定生物活性劑。功能性生物激發(fā)刺激響應水凝膠材料報告了傷口的pH值，溫度或毒素的變化。

抗菌傷口敷料可降低感染風險，從而改善愈合過程并減少敷料更換頻率。與口服或靜脈注射抗菌藥物相比，使用抗菌劑進行局部傷口治療的危害較小，在抗生素治療中，高劑量的抗生素可能引起副作用。傷口敷料中常見的抗菌劑包括抗菌藥物，肽或納米顆粒。被動釋放抗菌劑面臨的挑戰(zhàn)是其不受監(jiān)管的給藥方式。此外，對這些藥劑具有抗性的細菌是新出現(xiàn)的問題。由于廣泛使用抗生素，耐多藥病原體眾所周知在醫(yī)院和社區(qū)之間擴散，異質(zhì)性和毒力不斷提高。例如，糖尿病足感染表現(xiàn)出對常用抗生素例如青霉素家族的抗性。因此，需要新型的抗菌傷口敷料以最小化耐藥性的風險。

【科研摘要】

最近，加拿大多倫多大學Eugenia Kumacheva教授團隊報告了一種利用具有強大的Fe3+離子螯合能力的納米膠體水凝膠來抗菌傷口敷料的新方法，從而使細菌失去了急需的離子鐵并抑制了細菌的生長。相關論文Nanocolloidal Hydrogel with Sensing and Antibacterial Activities Governed by Iron Ion Sequestration發(fā)表在《Chemistry of Materials》上。水凝膠衍生自裝飾有碳點（C-dot/CNCs）的纖維素納米晶體。納米原纖維水凝膠吸收Fe3+離子后，由于離子在C點表面的吸附，水凝膠的光致發(fā)光被淬滅，從而報道了離子鐵從介質(zhì)中的去除。水凝膠抑制了耐藥性革蘭氏陰性大腸桿菌，銅綠假單胞菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌的生長，并且對人成纖維細胞無細胞毒性。傷口敷料很容易使用三維（3D）打印制造。水凝膠抗菌性能的新機制，其傳感能力，生物相容性以及3D打印傷口敷料貼片的能力使其成為制造高級傷口敷料的非常有前途的材料。

【圖文解析】

1.抗菌水凝膠制備示意圖

作者報告的是一種抗菌雙功能水凝膠，該雙功能水凝膠在液體環(huán)境中表現(xiàn)出較高的Fe3+離子隔離度，從而顯著降低了這些離子對細菌生長的可用性。圖1說明了水凝膠，它是通過醛改性的纖維素納米晶體（CNC）與載有氮摻雜的碳點（C-dots）和明膠的共價交聯(lián)形成的，這種凝膠剝奪了傷口上的病原體偏愛的離子鐵。在該后面，組織將此水凝膠稱為C-dot/EKGel。此外，當Fe3+離子被水凝膠吸收時，C點光致發(fā)光（PL）被淬滅，因此除了具有抗菌活性外，還提供了敷料的傳感能力。作為對照系統(tǒng)，作者使用了醛改性纖維素納米晶體和明膠（EKGel）交聯(lián)形成的水凝膠。

圖1. C-dot/EKGel作為傷口敷料的示意圖，該敷料剝奪了有利于細菌生長的Fe3+離子。螯合后，由于Fe3+離子吸附到C點表面，水凝膠熒光減弱。

2.水凝膠結(jié)構(gòu)和熒光性能表征

圖2a（頂部）示意性地說明了使用乙二胺和硼酸作為前體試劑在CNC表面上氮摻雜C點的合成。通過6 h回流反應合成雜化C-dot/CNC納米顆粒（參見 實驗部分）。圖2b顯示了C-dot/CNC的代表性透射電子顯微鏡（TEM）圖像。使用CNC作為前驅(qū)體和C點合成的底物，可以得到分離良好的C點。在回流反應下，通過在CNCs（用作碳源）表面上的纖維素部分的轉(zhuǎn)化而形成的C點。圖2c顯示了C-dot/CNC納米顆粒的水懸浮液的消光和光致發(fā)光（PL）光譜。圖2c中的插圖顯示了C-dot/CNC懸浮液在白光和紫外光照射下的照片。

圖2.（a）醛修飾的C-dot / CNC和明膠通過席夫堿反應形成C-dot/CNC雜化納米粒子的示意圖（上）和C-dot / EKGel的形成（下圖）。（b）C-dot/CNC納米顆粒的TEM顯微照片。圖像中心顯示的區(qū)域被放大并顯示在插圖圖像中。（c）C-dot/CNCs的水懸浮液的消光和光致發(fā)光光譜，λex= 380 nm。插圖顯示了C-dot/CNC懸浮液在白光（左）和UV光照射（右）下的照片。（d）在加入6mM的金屬鹽溶液，λexc＝ 380nm后，對C-dot/CNC的水懸浮液進行光致發(fā)光猝滅。（e）在冷凍干燥之前在室溫下老化24小時的C-dot/EKGel的掃描電子顯微鏡圖像。（f）C-dot/EKGel在37°C下的流變特性隨時間的變化。（g）C-dot/EKGel溶脹度的時間變化。

接下來，作者探索了C-dot/EKGel從FeCl3溶液中吸收Fe3+離子的過程。將體積為1 cm3的C-dot/EKGel在2 mL FeCl3溶液中孵育24小時。隨后，使用感應耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）確定了該溶液中Fe3+離子的螯合。圖3a顯示了水凝膠的平衡吸附容量qeq，該值由每1 g干燥的C-dot/EKGel從FeCl3溶液中去除的Fe3+離子的質(zhì)量確定，并作為初始Fe3+離子濃度Ci的函數(shù)繪制。隨著Ci從0.2增加到5.6 mg mL-1，qeq值從9.9改變?yōu)?6.6 mg g-1，因此增加了4.7倍。圖3a中每個條形圖中顯示的數(shù)字表示從FeCl3溶液中螯合的Fe3+離子的比例。圖3c顯示了醛修飾的CNC和明膠（EKGel）和C-dot/EKGel衍生的水凝膠的平衡吸附容量之間的比較。接著，作者探索了在含有各種濃度的Fe3+離子的溶液中C-dot/EKGel的PL猝滅。圖3d中的插圖顯示了水凝膠在365 nm的紫外線照射下（左）和在Ci = 5.6 mg mL-1的FeCl3溶液中孵育1小時后的照片（右）。圖3d顯示了PL強度I/I0的降低，其中I和I0是在Fe3+離子濃度范圍為0.006≤Ci≤56mg mL-1的溶液中溫育2 h后在465 nm處水凝膠的PL強度。

3.水凝膠細胞相容性測試

圖4a顯示在對照系統(tǒng)中和在C-dot/EKGel涂層表面上生長的成纖維細胞附著在表面上，并具有典型的紡錘狀形態(tài)，具有從細胞極延伸的圓形核。與對照系統(tǒng)相似，在C-dot / EKGel上培養(yǎng)的成纖維細胞沒有表現(xiàn)出從細長到橢圓/圓形的變化，也沒有顯示出所謂的星狀表型的多個突起。作者得出的結(jié)論是，C-dot/EKGel不會損害人類細胞的活力，并保留了傷口愈合所需的生理活性。

圖4.在對照（a）和C-dot/EKGel包被的表面（b）上培養(yǎng)的成纖維細胞的光學顯微鏡圖像。（c）在C-dot/EKGel上生長72小時后，人皮膚成纖維細胞的活力。

4.水凝膠抗菌性能測試

上述三種細菌是傷口表面的典型病原體。將C-dot/EKGel浸入培養(yǎng)基中后，在24小時后，細菌菌株的生長受到抑制（圖5a）。從數(shù)量上講，包含銅綠假單胞菌，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的樣品的細菌菌落形成單位（CFU）數(shù)量分別減少了3（減少66％），2（減少50％）和3（ 減少66％）（圖5b）。作者還檢查了EKGel的抗菌特性（圖5c），因為這種水凝膠還可以螯合Fe3+離子。對于所有細菌菌株，與對照樣品相比，觀察到細菌生長受到抑制（圖5c）；但是，效果比C-dot/EKGel弱。更具體地，在EKGel的情況下，大腸桿菌的生長減少了38％，而對于金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌，分別減少了46％和53％。在圖5d中的表格中總結(jié)了這兩種凝膠的抗菌性能的比較。

圖5.C-dot/EKGel對三種不同細菌菌株，即銅綠假單胞菌，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性。

5.3D打印水凝膠

最后，作者使用CellInk BIO X 3D打印機探索了在3M Tegaderm薄膜上擠出C-dot/EKGel傷口敷料（貼片）的功能，該薄膜用于覆蓋和保護傷口（圖6a）。通過在37°C下混合C-dot/CNC懸浮液和明膠溶液并在22°C下擠出，來制備用于3D打印的“油墨”。由于油墨和基材之間的溫差（明膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)?4–30°C（63-65））以及C點醛基之間的席夫堿反應，懸浮液迅速發(fā)生凝膠化/CNC和明膠的胺基。

圖6. 3D打印的C-dot/EKGel傷口敷料。

圖6b，c分別示出了剛在白光和紫外光（360nm）照射下印刷后的擠出的C-dot/EKGel片材。將C-dot/EKGel敷料暴露于模擬體液的液體中24小時后（Dulbecco改良的Eagle培養(yǎng)基（DMEM）和磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）的混合物，添加濃度為5μgmL-1的FeCl3），由于Fe3+離子吸附到C點表面，水凝膠PL的發(fā)射強度顯著降低（圖6d）。由于在低Fe3+環(huán)境（例如傷口）中，離子吸附是緩慢且緩慢的，因此C-dot/EKGel板的PL發(fā)射的猝滅提供了評估從傷口吸收Fe3+離子的能力，而無需進行不必要的敷料更換 會破壞傷口修復并引起疼痛。

參考文獻：

doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03362