水凝胶医用敷料的研究进展

樊梦妮,陈晓蕾,陈俊鹏,杨 超,蔡晓军

(南京工业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 211800)

1 创面敷料概述

广义的创面是指由机械、物理、化学或生物等因素引起的皮肤破损或缺陷,根据创面愈合时间的长短,可将其分为急性伤口和慢性伤口[1-2]。急性伤口是突然形成且愈合较快的伤口,包括:浅层皮外伤口、急性放射性损伤伤口等。慢性伤口是指由因各种原因如静脉功能不全、周围血管性疾病、全身性疾病、外伤瘢痕和感染等导致的皮肤组织损伤,且经一个月以上的治疗也无愈合倾向,主要有:静脉性溃疡、动脉性溃疡等。创面愈合是一个复杂的动态过程,包括:止血、炎症、血管新生、上皮化、肉芽组织形成、细胞外间质沉积和组织重塑[2-3]。

创面敷料作为暂时性皮肤替代物[4],在创面愈合中扮演着重要角色。传统敷料如纱布、棉垫和绷带等,虽具有止血、吸收伤口渗出液、保护创面免受细菌感染等作用,但不具备主动抗菌抗炎功能,且可能引起渗漏和黏连结痂,甚至可阻碍伤口愈合进程。随着对创面愈合的深入研究,对创面敷料的功能也提出了更多要求。理想的伤口敷料应具备以下特征:①为伤口提供湿润的愈合环境,良好的透气性和机械保护作用;②可吸收伤口渗出物,保护伤口免受污染和细菌感染,减少伤口表面坏死,可刺激生长因子的增长;③良好的生物相容性,生物可降解性,易于无痛去除和更换。

水凝胶是可溶于水的亲水性高分子材料,可通过物理或化学交联作用，形成具有三维网络结构功能,具有含水量高、生物相容性好等优点。水凝胶敷料作为新兴的功能创面敷料,相较于传统敷料,可保持创面湿润，并持续吸收创面渗出物,部分由壳聚糖、多肽类等制备得到的水凝胶可被及时降解，以避免更换敷料时造成二次损伤。更重要的是,可通过结构设计和功能整合，赋予水凝胶敷料多种优异性能,进而在创面愈合的各个过程中发挥重要作用。如：具有止血功能的水凝胶可牢牢黏附于伤口处,封堵止血且促进凝血。抗菌水凝胶可利用自身的抗菌性能,或通过负载纳米抗菌材料或抗生素来实现高效抗菌。抗炎水凝胶可通过可控负载和智能释放生长因子或抗炎药物来缓解炎症反应。促组织再生水凝胶同样可通过可控负载和智能释放小分子药物、生长因子或细胞因子来促进血管化、肉芽组织再生及创面上皮化。此外,抗冻耐热水凝胶和电子皮肤等先进功能敷料,也可在极端条件下作为敷料用于加速创面愈合。基于此,本文系统综述了功能化水凝胶在创面形成至创面愈合的一系列复杂动态过程中所发挥的重要作用(止血、抗菌、抗炎和促组织再生)及其作用机制。

2 功能化水凝胶敷料

皮肤组织一旦发生损伤,其修复过程会非常复杂,包括需相互作用的4个典型阶段:止血、炎症、增殖和重塑。大部分皮肤缺损可在1～2周内有效愈合,但大面积全厚层创面的愈合通常面临着诸多问题,包括:创面难以止血,伤口易被感染并引发持续发炎,组织再生困难等。根据皮肤愈合各个阶段所面临的主要问题,详细介绍了功能化水凝胶在快速止血、抗菌、抗炎及促组织再生方面的相关研究现状,以及在超低温和超高温条件下,伤口愈合所需的一些先进功能敷料的最新研究现状。

2.1 可快速止血的水凝胶敷料

快速止血是创面愈合的首要环节。严重出血的伤口组织若在短时间内流血量达到全身血液容量的30%或更多,将会危及生命,但事实上,若在30 min内有效止住,40%以上的死亡是可以避免的。水凝胶因具有良好的生物相容性、组织黏附性以及可覆盖不规则伤口的性能,已成为创面伤口快速止血的良好选材。水凝胶止血敷料可牢牢黏附于伤口表面,阻止伤口出血渗漏,并可作为避免细菌感染的重要屏障。

早期的止血水凝胶材料,结构都比较简单,功能也比较单一。例如：最早使用的海藻酸盐材料,利用其比自身体积大10倍的吸收量而被作为止血材料广泛使用,但是对于伤口愈合却无其他有效功能。后来,向从动物中分离得到的胶原蛋白中添加细胞因子,使其不仅具有止血功能,也一定程度上具有了促进伤口愈合的效果。如今,随着对各种材料的深入研究后发现,很多原材料由于具有某些容易改变的基团结构,而能作为某些反应中基团的载体。

Liang等[5]以透明质酸-多巴胺(HA-DA)和聚多巴胺包覆的还原性氧化石墨烯(rGO@PDA)为原料,制备了具有抗氧化活性、导电性、黏附性和快速止血效果的多功能水凝胶(HA-DA/rGO@PDA)。聚多巴胺(PDA)赋予了水凝胶优异的抗氧化活性、导电性、自愈性和体内抗菌活性,且多巴胺(DA)和PDA上的邻苯二酚和醌基团与蛋白质上氨基和硫醇基间的相互作用，进一步赋予了水凝胶良好的组织黏附性,故在小鼠肝出血动物模型实验中表现出了良好的止血性能。

除了对于材料功能的改善,对于不同条件下可以触发新材料的形成以及材料结构的改善也是研究的热点。Hong等[6]以甲基丙烯酸甲酯修饰的明胶(GelMA)和邻硝基苄基类光扳机分子(NB)修饰的透明质酸(HA-NB)为原料,制备了力学性能和湿性组织黏附性能优异,且能快速止血的Matrix Gel水凝胶。Matrix Gel的合成利用了紫外线光触成胶机制:光照使GelMA上的双键自交联,同时HA-NB上的光生醛基还能与GelMA上的氨基进一步交联,共同构筑成Matrix Gel的双网络结构,显著增强了水凝胶的力学性能,也同时实现了快速封堵和长效抵抗流体冲击的作用。此外,光生醛基与组织界面发生的席夫碱反应还可赋予Matrix Gel良好的湿性组织黏附性能,可抵抗290 mm Hg柱的爆破压力,远高于常规收缩血压(120 mm Hg柱),因此Matrix Gel可在动脉血压下快速黏附于伤口处并迅速止血,对于猪颈动脉处损伤达4～5 mm的伤口,Matrix Gel可在20 s内完全封闭伤口,并在术后无渗血情况发生。

2.2 可抗菌水凝胶敷料

创面如果发生感染,就会引起伤口化脓,延长愈合时间,严重的甚至会引起脓毒血症,危及生命健康,因此对伤口敷料的抗菌抑菌性能提出了重要要求。

按照抗菌机制的不同,系统介绍了以壳聚糖及其衍生物为代表的多糖类抗菌剂,以纳米银、纳米ZnO等为代表的无机纳米粒子抗菌剂,以及其他抗菌剂中具有多种功能的抗菌水凝胶敷料。

2.2.1 壳聚糖及其衍生物抗菌水凝胶敷料

壳聚糖(Chitosan)又称壳多糖、几丁聚糖,化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖[7],是甲壳素的脱乙酰化产物,源于植物、真菌的细胞壁和节肢动物的外骨骼等,是迄今为止发现的自然界中唯一大量存在的碱性多糖,为白色粉末或片状固体。Chitosan的抗菌机制有[7]:①Chitosan中带有正电荷的氨基与细菌表面带有负电荷的蛋白或磷脂发生静电作用,从而破坏细菌表面结构;②Chitosan穿过细胞壁和细胞膜进入细菌内部,与DNA结合阻止细菌DNA转录;③Chitosan与金属离子螯合,阻止微量元素的摄取以及与细菌生长所必需的营养物质结合。

随着研究的深入,科学家们发现：微生物的代谢活动及酶促生化反应往往在水中进行,Chitosan微溶于水的特性，大大减少了其在水中与微生物的相互接触,因而导致其抗菌活性有限[8]。通过化学改性可制备水溶性Chitosan衍生物,改性后的Chitosan分子内氢键作用被抑制,分子链与水分子间的相互作用增强,水溶性增强,进而可显著提高Chitosan与细菌的接触,并增强抗菌活性。常用的改性策略有:①利用Chitosan分子中的氨基、羟基与卤代烷发生亲核反应制备烷基化衍生物[9];②与卤代烷酸或乙醛酸反应制备羧基化衍生物;③引入季铵盐得到季铵化衍生物。

Wahid等[10]以细菌纤维素和Chitosan为原料,以戊二醛为交联剂,制备了Chitosan和细菌纤维素半互穿网络水凝胶。该水凝胶的热稳定性优于细菌纤维素薄膜和Chitosan水凝胶,且对革兰氏阳性菌、阴性菌均具有良好的抑制作用。细菌纤维素与Chitosan的含量比可影响抗菌效果,当二者含量比为1∶ 5时,抑菌率可高达88%。

Gan等[11]基于贻贝黏附化学机制制备了具有接触增强的抗菌水凝胶,作用原理是基于双键化多巴胺(MADA)可增强水凝胶与细菌的接触,从而使水凝胶中的抗菌聚合物季铵化壳聚糖(QCS)和甲基丙烯酸2-(二甲基氨基)乙酯(DMAEMA)能更有效地杀死细菌。动物实验结果表明:该水凝胶还具有促组织再生和防止细菌感染的双重功能,非常适合作为伤口敷料，以促进伤口愈合并保护伤口免受细菌感染。Zhao等[12]以季铵化壳聚糖-g-聚苯胺(QCSP)和苯甲醛基功能化的聚乙二醇-聚癸二酸甘油共聚物(PEGS-FA)为原料,制备了具有自愈性、抗菌性、导电性及生物相容性良好的复合水凝胶。水凝胶中的QCSP具有电活性、抗菌活性、抗氧化性及止血性能,其与体积分数为1.5%PEGS-FA所组成的水凝胶具有优异的凝血性能。此外,基于Chitosan自身的促创面愈合活性，以及聚苯胺片段的电活性、抗氧化性的多重协同作用,可显著促进全皮层缺损伤口的快速愈合。Huang等[13]通过亲核取代反应制备了磺化壳聚糖(SCS)(图1),研究发现:与未改性的壳聚糖盐酸盐(WSC)相比,相同浓度的SCS能更显著地降低大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生物膜内胞外多糖的分泌和代谢活性,进而高效抑制细菌生物膜的形成。

图1 亲核取代反应制备的磺化壳聚糖SCS[13]Fig.1 Sulfonated chitosan SCS prepared by nucleophilic substitution reaction[13]

2.2.2 纳米材料基抗菌水凝胶敷料

1)纳米银水凝胶敷料

银作为抗菌材料的应用可以追溯到20世纪60年代,科学家们研发了基于银铜的电离作用对水系统进行净化的装置。此后,20世纪80年代,日本研制出的载银沸石抗菌剂应对应大肠杆菌的爆发。进入21世纪,通过对银抗菌的不断深入研究,研发出的不同粒径的纳米银抗菌剂,被广泛应用到了不同领域。

纳米银具有广谱抗菌活性,作为抗菌剂已得到广泛应用,其作用机制在于能破坏细胞膜结构、阻断细菌DNA转录以及产生活性氧诱导细胞凋亡[14]。纳米银水凝胶的合成主要有2种方式:①将AgNO3或 C2H3AgO2等化合物在水凝胶基质中原位还原得到纳米银;②水凝胶吸附纳米银悬浊液。纳米银与水凝胶的良好结合使敷料与伤口接触后能持续释放Ag+,从而实现长效抗菌。

Niu等[15]以原位合成的纳米银与聚乙二醇修饰的甲基丙烯酸甲酯为原料，制备了可注射的纳米银杂化水凝胶。该水凝胶具有良好的抗金黄色葡萄球菌和大肠杆菌性能。Kim等[16]制备了含纳米Ag2O的可注射甲基纤维素水凝胶,其中醋酸银前驱体提供的Ag+可在水凝胶基质中原位合成纳米Ag2O,而剩余的CH3COO-可通过盐析效应，降低水凝胶的凝胶化温度。烧伤创面实验结果表明：含纳米银的甲基纤维素水凝胶具有良好的抗菌性和加速创面愈合能力。Li等[17]在由木质素磺酸钠和聚乙烯醇交联而成的水凝胶基质中原位合成了纳米银,制备出含纳米银的抗菌水凝胶。木质素和纳米银的抗菌作用相辅相成,显著增强了水凝胶的抗菌性能。Liu等[18]在羧基化的纤维素纳米纤维(CNF)中同时引入了氨基化纳米银(Ag-NH2NPs)和明胶,制备出复合型水凝胶。该研究发现:负载0.5 mg/mL纳米银的水凝胶敷料具有较强的机械性能、自愈性能、抗菌性能及止血性能。此外,体内外伤口模型中,受感染细胞的活性为100%,且伤口愈合率高达90%,并具有良好的生物相容性和优异的创面愈合效果。

2)纳米氧化锌(ZnO)水凝胶敷料

ZnO比表面积较大,表面带有大量正电荷,可与细菌膜相互作用,从而破坏细菌膜的完整性。纳米ZnO在水中释放的Zn+可进入菌体中破坏其蛋白酶结构。紫外线照射纳米ZnO所产生的活性氧可氧化菌体内的有机物[19]。相较于其他纳米氧化物,ZnO具有理化性质稳定、安全无毒以及生物相容性好等优点,因而有着广泛的应用前景。

Namazi等[20]将纳米ZnO加入溶胀的氧化淀粉水凝胶中,制备出纳米复合水凝胶,ZnO的加入可影响该水凝胶在不同pH和不同盐溶液中的溶胀行为,且该水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有良好的抗菌效果。物理包裹虽然简单,但是存在着材料负载量有限、释放时间短等问题。因此,科学家开始探究化学合成的方法。Rakhshaei等[21]通过原位合成纳米ZnO,制备了ZnO均匀分布的壳聚糖-明胶/ZnO复合支架。相较于物理混合的纳米ZnO,原位合成的纳米ZnO具有更高的抗菌活性和更低的细胞毒性。Abdeen等[22]以戊二醛为交联剂,制备了壳聚糖/聚乙烯醇/ZnO复合支架,该支架的抗菌性能优于红霉素和甲硝唑,且随着ZnO含量的增加，该水凝胶的抑菌活性也显著增强。随着研究的深入,为了使材料的功能达到最大化,很多研究者发现了纳米ZnO和其他抗菌粒子的协同作用[8-9]。Mao等[23]通过紫外光化学还原法在水凝胶中组装Ag/Ag@AgCl,再通过沉淀法掺入纳米ZnO,制备了Ag/Ag@AgCl/ZnO复合水凝胶。Ag/Ag@AgCl可利用可见光增强ZnO的活性氧种类,进而提高ZnO的光催化和抗菌活性。在模拟可见光照射20 min后,该水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别达到95.95%和98.49%,可应用于伤口快速消毒。体内实验结果表明：复合水凝胶中释放的Ag+和Zn2+可引起机体免疫反应,从而产生大量白细胞和中性粒细胞。免疫细胞与纳米材料发挥协同抗菌作用,继而显著促进伤口愈合。

3)纳米氟化钙(CaF2)水凝胶敷料

CaF2是一种钙基无机材料,具有良好的生物相容性和抗菌活性[23]。F-可通过抑制糖酵解酶烯醇化,干扰细菌代谢,从而减少细菌细胞摄取糖,进一步抑制糖酵解过程。Shin等[24]采用原位沉淀法制备了含纳米CaF2的可注射海藻酸钠水凝胶。菌落形成实验表明:该水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑制作用。水凝胶中F-的释放量与水凝胶中CaF2的含量成正比,释放出的F-可促进成纤维细胞增殖。全层伤口模型实验结果表明:该水凝胶有效促进了细胞外基质的沉积,加速了创面愈合。Jeong等[25]采用原位沉淀法将纳米CaF2均匀地包埋于质酸(HA)水凝胶中,制备了具有抗菌活性的水凝胶敷料。调控CaCl2和NH4F的浓度和沉淀时间发现,沉淀时间越短,F-的释放速度越快,沉淀10 min样品的F-释放速率要大于沉淀时间分别为30 min和1 h的样品。菌落测试表明：该水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抗菌效果。此外,观察大鼠的全层伤口愈合情况时发现：CaF2水凝胶与纯水凝胶相比更有利于加速伤口愈合。

2.2.3 其他抗菌水凝胶敷料

Wang等[26]在ε-聚赖氨酸体系(EPL)中引入多巴胺,获得了与天然贻贝足丝蛋白组成接近的纯蛋白衍生物(PPD)聚合物,并利用辣根过氧化物酶(HRP)原位催化制备了可注射水凝胶(PPD-E)。该水凝胶中,EPL作为一种固有的抗菌材料,表现出固有的抗菌特性,而不需要加入外源性抗生素。EPL对革兰氏阴性菌(如大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(如金黄色葡萄球菌)均具有广谱抗菌活性(图2)。同时,相比于其他水凝胶,由于邻苯二酚和赖氨酸的协同作用，它又表现出湿性黏附性能、较快的伤口封堵止血和皮肤修复性能。Xi等[27]制备了基于天然抗生素(芦荟大黄素)和碳点的复合水凝胶,该水凝胶可先利用近红外光产生的热量和活性氧,在短时间内迅速抑制细菌生长,且停止光照后还能持续释放芦荟大黄素以实现长效抗菌。体内实验结果表明：上述两种机制的交替作用可显著抑制金色葡萄球菌的生长。

图2 具有抗菌特性的可注射水凝胶[26]Fig.2 An injectable hydrogel with antimicrobial properties[26]

Han等[28]采用自由基聚合法将苯乙烯、聚己内酯-甲基丙烯酸羟乙酯和聚六亚甲基胍-甲基丙烯酸酯等单体聚合,合成了具有持久抗菌活性和防细菌黏附的纳米凝胶,其中的抗菌成分可破坏细胞膜并引起细胞裂解,且大分子链上的抗菌盐酸胍链段和疏水性聚己内酯分子链可防止细菌黏附。此外,纳米凝胶接枝的棉织物具有较强的疏水性和较高的抑菌率,可有效防止细菌黏附,该棉织物经50次清洗后,对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性依然高达86%。

2.3 可抗炎的水凝胶敷料

伤口愈合初期,局部伤口会出现不同程度的组织坏死和血管破裂等现象,进而容易受到外来微生物的感染,数小时内便出现炎症反应,表现为充血、浆液渗出及白细胞游击。在皮肤受损初期,白细胞以中性粒细胞为主,它们的吞噬能力和分泌的蛋白酶能够杀死局部细菌,并有助于清理坏死组织。皮肤损伤3 d后,白细胞以巨噬细胞为主[3,28]。巨噬细胞是主要的炎症细胞,在炎症反应中扮演着一系列关键作用[28]:①在炎症期,巨噬细胞能识别并清除坏死组织、细胞碎片和病原体,清理创面;②在炎症期向增殖期的过渡阶段,巨噬细胞表型转化为M2型,M2细胞可通过分泌PDGF、EGF、TGF-α、TGF-β、IL-1等生长因子来促进成纤维细胞增殖和新生血管形成,进而促进肉芽组织形成。此外,值得注意的是,病原体和异物刺激的持续存在,将导致巨噬细胞的过度激活并分泌大量炎性因子,如白介素1、白介素6和肿瘤坏死因子α,这些因子的长久且大量存在可加重组织损伤和延缓伤口愈合。目前主要有两种思路用于制备抗炎水凝胶敷料:①利用水凝胶网络结构中的多肽物质来促进M1型巨噬细胞向M2表型极化,由促炎作用过渡到抑制炎症,减轻炎症的同时促进组织修复;②通过负载和缓释抗炎药物来缓解炎症反应。

Chen等[29]以层黏连蛋白为原料制备了Chitosan与SIKVAV(氨基酸序列:丝氨酸-异亮氨酸-赖氨酸-缬氨酸-丙氨酸-缬氨酸)的多肽复合水凝胶。Chen等[29]用CD86标记M1巨噬细胞,用CD163标记M2巨噬细胞,对皮肤炎症的实验结果表明：经过多肽修饰的壳聚糖确实具有明显的抗炎效果。

Zhang等[30]以Chitosan和脂质信号分子前列腺素E2(PEG2)为原料,制备了可抗炎、可重塑和可促组织再生的复合水凝胶,并采用生物发光成像(BLI)技术实时监测了创伤愈合过程中受伤部位的炎症反应和血管生成过程(图3)。Chitosan水凝胶可延长PGE2的释放,进而提高了其促血管生成和组织再生能力。BLI结果显示：PGE2的长期释放可促进巨噬细胞向M2表型极化并进一步降低炎症反应。Reinke等[31]分别制备了主体大分子β-环糊精-壳聚糖(CS-CD)和客体大分子葡聚糖-布洛芬(Dex-Ibu),通过β-CD和布洛芬之间的主客体相互作用,制备了具有双重抗炎效应的超分子水凝胶。一方面,水凝胶在含有酯酶的溶液中解组装,快速释放抗炎药物布洛芬,抑制促炎因子TNF-α的分泌,减轻炎症反应。另一方面,Chitosan具有良好的抗菌活性。抗菌实验结果表明:该超分子水凝胶能显著抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长,进而有效降低炎症反应。

图3 可抗炎、可重塑和可促组织再生的复合CS+PEG2水凝胶[30]Fig.3 Composite CS+PEG2 hydrogel with anti-inflammatory, remodeling and tissue regeneration properties[30]

2.4 促组织再生水凝胶敷料

促组织再生水凝胶可通过可控负载和智能释放小分子药物或蛋白来促进创面愈合[32]。小分子药物主要有抗生素、抗炎药物等;蛋白包括以生长因子为代表的各类细胞因子,如血管内皮生长因子VEGF、成纤维细胞生长因子7(FGF7)和凝血因子III(F3)等。此外,利用各种细胞因子或细胞外基质修饰的水凝胶亦可通过激活重要的级联反应来加速创面愈合。

Moore等[32]制备了一种含有氨基酸序列K2(SL)6K2的纳米纤维(MDP)水凝胶。将MDP植入大鼠的皮下背部组织时，可被宿主细胞迅速浸润,引起暂时性炎症反应,并刺激细胞分泌大量细胞因子,进而促进细胞招募、血管生成、神经支配,且伴随水凝胶的缓慢降解而能被健康组织所替代。MDP水凝胶以结构和化学性质简单的多肽为基础,为促创面愈合的多肽基水凝胶敷料的制备提供了重要思路,有望在糖尿病溃疡的伤口愈合中发挥重要作用。Xi等[33]以细菌纳米纤维素和丙烯酸为原料制备了纳米纤维素复合水凝胶,并研究了该复合水凝胶在细胞水平和分子水平上对成纤维细胞的影响。细胞水平上,成纤维细胞可快速黏附于水凝胶上并保持一定的形态和活性,细胞迁移受到限制并在水凝胶基质上持续增殖;分子水平上,该复合水凝胶可上调8个创伤愈合基因(IL6、IL10、MMP2、CTSK、FGF7、GM-CSF、TGFB1和COX2)的表达,同时下调凝血因子Ⅲ(F3)的表达,进而显著促进了创面愈合。

Huang等[34]以羧甲基壳聚糖(CMC)和醛基修饰的纳米纤维素(DACNC)为原料,制备了可注射的自愈型复合水凝胶(CMC/DACNC)。该水凝胶网络中含有的大量活性交联点易于断裂和重塑,进而使水凝胶可在短时间内自愈。细胞实验结果表明：该水凝胶具有良好的生物相容性,可作为细胞外基质为细胞的三维培养提供良好的支撑作用，并加速创面愈合。更为重要的是,该水凝胶可在氨基酸溶液中快速降解,进而可为创面敷料的无痛去除提供便利(图4)。

图4 可注射的自愈型复合水凝胶(CMC/DACNC)[34]Fig.4 Injectable self-healing composite hydrogel (CMC/DACNC)[34]

Mao等[35]利用PEG与杧果苷脂质体之间的动态配位作用,制备了可注射、抗缺氧和促伤口愈合的多功能水凝胶(MF-Lip@PEG)。该水凝胶可通过影响Bax/Bcl-2/caspase-3等蛋白酶的表达途径,避免由缺氧诱导的细胞凋亡。随机皮瓣动物模型实验表明：该水凝胶注射方便,且具有良好的抗炎、抗感染、预血管化作用,并可显著降低皮瓣坏死率和有效促进皮瓣再生。Park等[36]制备了含生物活性分子SP和生长因子TGF-β1的Chitosan微粒Pluronicf F127(CSMP-PF)水凝胶。该水凝胶可在组织再生早期释放SP,在后期释放TGF-β1,进而可维持伤口处生物活性分子的局部浓度不变。值得注意的是,CSMP-PF水凝胶可修复由局部电离辐射导致的皮肤损伤,其中SP可通过增加肌成纤维细胞的数量,促进血管生成和细胞外间质沉积来促进组织再生,TGF-β1可通过调节细胞增殖、迁移、分化来加速伤口愈合。

2.5 多功能水凝胶敷料

如今,随着研究的深入进行,对于水凝胶敷料的需求也是越来越高,不同的创面可能具有不同的需求。其中,具有杀菌和促进伤口愈合功能的水凝胶更是研究的重点,因此,本节将水凝胶敷料的应用主要着眼于以下两个方面[36]:①用于伤口治疗,包括利用水凝胶敷料的抗菌活性来防止细菌感染，利用水凝胶的抗炎活性来缓解伤口处炎症反应，以及利用水凝胶的机械弹性来为伤口提供一定的保护作用;②用于伤口愈合,包括促进上皮形成、胶原形成和血管生成,以及促进皮肤再生。

Wang等[37]以Pluronic F127、氧化透明质酸(OHA)和聚赖氨酸(EPL)为原料,通过OHA醛基与EPL氨基间的吸附碱反应制备了FHE水凝胶,并进一步负载了来源于脂肪间充质干细胞的外泌体(AMSCs-exo),获得了可注射、自愈合、抗菌并可缓释AMSCs-exo的复合水凝胶FHE@exo。该水凝胶中的OHA提供了湿润的愈合环境和良好的生物相容性,EPL提供了抗菌活性和黏附能力,且OHA和EPL间的动态吸附碱键赋予了水凝胶优异的自愈性能。值得注意的是,AMSCs-exo是MSCs分泌的小生物膜囊泡,可通过传递细胞间信息来促进细胞增殖、血管增生和免疫调节。体外实验表明：FHE@exo水凝胶可有效促进人脐静脉内皮细胞增殖、迁移和血管形成;体内实验表明：FHE@exo水凝胶可加速糖尿病全层皮肤创面愈合,包括加速创面愈合、血管生成以及再上皮化和胶原沉积。Tian等[38]将乙二胺四乙酸(EDTA)-Fe3+复合物与HA交联,制备了具有抗菌和快速自愈性能的Ha-Fe-EDTA水凝胶。细菌分泌的透明质酸酶可导致水凝胶局部降解并缓释出具有抗菌活性的Fe3+,而Fe3+与—COOH之间的协同作用还能促使水凝胶在磨损后迅速自修复(图5)。体外小鼠皮肤伤口模型实验表明该水凝胶可抑制金黄色葡萄球菌和微生物感染,并能在短时间内促创面皮肤再生。Wang等[39]通过光引发自由基共聚反应,制备了由丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)和1-乙烯基-1,2,4三唑(VTZ)通过二元共聚得到的PNAGA-PVZT水凝胶。PNAGA-PVZT集抗菌、抗炎、自修复和热塑性能于一体。动态氢键作用赋予了该水凝胶优异的自修复性能、再加工性和可循环性;VTZ使该水凝胶具备了抗菌、抗炎特性。该水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有显著的抑制作用,且同时还能显著降低水凝胶皮下植入引起的炎症反应,因而具有良好的组织相容性。

图5 HA-Fe-EDTA水凝胶抗菌机制示意[38]Fig.5 Schematic diagram of the antibacterial mechanism of Ha-Fe-EDTA hydrogel[38]

3 先进功能敷料

3.1 抗冻耐热水凝胶

水凝胶敷料的实用性与水凝胶的类固体力学行为和类水输送特性密切相关[39]。含有较多亲水基团且吸水率较高的普通水凝胶在冰点以下时极易结冰,变得脆弱、坚硬且导电性差;高温时水凝胶中的水分子无法被稳定地固定在聚合物网络中,水凝胶脱水变干。具有抗冻、耐热的水凝胶可在低温和高温下正常使用,拓宽了水凝胶敷料的应用范围。

Han等[40]将丙烯酰胺、丙烯酸单体在甘油-水混合溶液中进行紫外光聚合,制备了醇/水混合凝胶;再将聚多巴胺修饰的碳纳米管复合进水凝胶网络,制备了抗冻、耐热、导电和自黏附水凝胶(PDA-CNT)(图6)。该水凝胶作为柔性自黏附电极可在低温和高温环境中用于生物信号的检测。在-20 ℃低温条件下放置1 d,该水凝胶仍可稳定地监测心电信号。

图6 抗冻、耐热、导电和自黏附水凝胶[40]Fig.6 Freeze-resistant, heat-resistant, conductive and self-adhesive hydrogels[40]

Morelle等[41]通过向聚丙烯酰胺-海藻酸钠双网络水凝胶中添加CaCl2,制备了在-57 ℃条件下仍具有良好抗冻性能、较高力学强度和导电性的复合水凝胶。该水凝胶的断裂性能在低温状态下高于常温水状态时,其增韧机制包括裂纹钉扎、裂纹偏转和微空化等。该水凝胶还可作为离子导体与介电弹性体结合用于在低温下可拉伸的离子触摸传感器。Zhang等[42]将棉短绒纤维素溶解于无机盐(ZnCl2/CaCl2)体系中,并利用纤维素与金属离子Zn2+和Ca2+配位作用制备了高温下可逆、抗冻的纤维素水凝胶。温度超过60 ℃时,溶胶态的水凝胶可在冷却后变为固态,热可逆性使溶胶注入不同模具后可形成形状各异的水凝胶。含盐水化合物的纤维素水凝胶在室温(25 ℃)和室外温度零下环境(-10 ℃)时水凝胶被打结变形而不发生脆性断裂,体现了纤维素水凝胶的抗冻性和可塑性。更重要的是,所得到的纤维素水凝胶在低至-70 ℃的温度下仍可保持良好的延展性、柔韧性和导电性,拓宽了其作为抗冻材料的应用范围。

3.2 电子皮肤凝胶

电子皮肤是一种新型的可穿戴柔性仿生触觉传感器,具有结构简单、可加工性好等优点,其空间分辨率可达到毫米级,接近于人类皮肤,可通过接触检测出被测物体的硬度、温度、表面形貌和质量等[33]。电子皮肤贴在皮肤上后可通过实时监测脉搏、心跳、体温等生理指标来反映人体健康数据变化,从而实现疾病的前期预防和诊断。导电水凝胶因具有与天然软组织/细胞外基质相似的结构,良好的生物相容性、导电性和机械强度高等优点,被视为电子皮肤的良好选材。此外,负载药物的电子皮肤还可通过缓释抗菌、抗炎药物来加速创面愈合和修复过程[43]。

Gan等[44]通过紫外光聚合法合成了聚丙烯酰胺/壳聚糖水凝胶,再以Chitosan为模板将导电聚合物聚吡咯吸附固定于水凝胶上，并使其原位氧化聚合,制备了导电、超强韧性、生物相容性良好的多功能水凝胶。该水凝胶可作为药物控释系统通过刺激电压控制释放速率。药物从水凝胶中提取的释放是由于聚吡咯的氧化还原反应。在氧化聚合过程中,游离阴离子药物可以作为掺杂剂分子加入聚吡咯骨架中。当聚吡咯被电化学还原为负电位时,由于聚合物骨架的正电荷状态发生改变,从而释放出阴离子药物，以达到可控释放抗炎药物地塞米松的作用。大鼠全层皮肤缺损模型实验表明：该水凝胶可促进创面愈合和伤口修复。更重要的是,该水凝胶还可作为电子皮肤实时监测人体运动,以及作为应力传感器检测负荷。

Lei等[45]通过调控高分子间的非共价键相互作用，设计和制备了具有压缩回弹性、自修复和室温下可任意塑形的超分子聚电解质水凝胶。该水凝胶外形透明并有类似皮肤的力学性能,以及感知温度、应变和压力变化的感官能力,可作为智能仿生材料来模拟皮肤的一系列功能。将其贴在塑料假肢手指上时,假肢手指可通过电容和电阻信号来分别感知外界应变和温度刺激,进而模拟人体皮肤的机械和温度感受器,并根据变形过程中的电容变化来监测手指的弯曲伸直运动(图7)。

图7 仿生皮肤在应变、温度传感和自愈方面的应用[45]Fig.7 The applications of bionic skin in strain, temperature sensing and self-healing[45]

Zhang等[46]受到皮肤的分层结构启发,在由疏水缔合作用交联而成的导电水凝胶表面原位聚合，制备出了具有双层结构的可伸缩超耐磨水凝胶应变传感器。该水凝胶可作为一种灵敏的、可穿戴的应变传感器,可用于检测大范围的人体运动和微小的生理信号。此外,外层黏合剂赋予了该水凝胶对皮肤强有力的黏附能力,同时还能有效阻断导电硬质层的电流,保护皮肤不受电流刺激。

4 总结与展望

水凝胶作为一类新型医用敷料,是对目前其他类型医用敷料功能的补充和增强,使得医用敷料不仅具有良好的高弹性、渗透性和强吸水性,还具有良好的生物相容性和可调节的物理化学性能,这使得其可被广泛应用于细菌感染及难愈合创面,且能克服高低温环境的限制，得以正常使用。

本文系统总结了功能化水凝胶敷料从创面形成到创面愈合的一系列复杂动态过程中可发挥的重要作用,并总结了部分先进功能敷料(可抗冻耐热水凝胶敷料及电子皮肤)的最新研究进展。现有水凝胶敷料原料从单一的原材料发展到多种原材料相互作用,水凝胶的结构也从单网络逐渐到双网络结构的演变,功能更是从最初的单一功能到如今的多功能发展。但是,目前水凝胶敷料的作用仍具有一定限制性,对于通过改善材料结构，从而增强功能性质，以达到对各种创面的治愈仍是当下研究的重点。例如对于水凝胶的功能来说,可注射性就是一大优点,利用温度的不同使得水凝胶相变转化,当某些创面形状奇特，或者创面在内部时,能将液态水凝胶注射到创面位置,利用人体自身的体温变化使得水凝胶转变为固态,从而固定在创面使其发挥作用。