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多功能透明质酸/聚赖氨酸水凝胶的制备及其促进糖尿病感染创口愈合的研究

摘要目的:<br>  本研究通过负载聚多巴胺纳米颗粒( PDA-NPs)的醛基化透明质酸(OHA)的醛基与ε -聚赖氨酸(EPL)、磺胺嘧啶银(SSD)上的氨基形成希夫碱键形成双交联的EOSP水凝胶水凝胶可达到抗氧化、抗菌、促愈合的目的。本研究通过体外验证该水凝胶的物理化学性能;细胞实验研究该水凝胶生物性能(抗氧化、抗菌、促愈合作用);糖尿病感染小鼠模型中体内评估该水凝胶敷料对糖尿病小鼠感染伤口的修复作用。<br>  方法:<br>  第一部分:EOSP水凝胶的制备及其表征<br>  EPL/OHA/SSD通过OHA上的醛基与EPL、SSD上的氨基通过动态席夫碱作用构成水凝胶的基本支架,其中带负电荷的PDA-NPs通过静电相互作用与带正电荷的EPL结合,制备出EOSP水凝胶。<br>  对水凝胶的材料性能和生物学性能进行表征:通过将水凝胶冷冻干燥以检测水凝胶的含水率;以及通过称重去测定水凝胶的体外降解性能和溶胀性能;通过傅里叶变换红外光谱评价PDA-NPs和OHA的成功合成。通过傅里叶变换红外光谱去检测水凝胶的分子交联机制;通过扫描电子显微镜(SEM)检测水凝胶的形貌孔隙;体外通过使用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2,2’-联氮基双—(3-乙基苯并噻唑啉 -6- 磺酸) (ABTS)检测水凝胶对 DPPH和ABTS自由基的清除能力。使用溶血实验,即通过将水凝胶浸提液与血液混合以验证水凝胶的血液相容性。通过光热仪器以一定功率照射水凝胶,同时以光热相机观测水凝胶温度以检测水凝胶的光热性能。<br>  第二部分:负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶的生物学性能<br>  上述实验已经初步验证了水凝胶的材料学性能,接下来需要验证水凝胶的生物学性能。验证水凝胶的细胞毒性通过CCK8试剂和钙黄绿素(Calcein-AM)/碘化丙啶(PI)染色法测定水凝胶对小鼠成纤维细胞(L929)、小鼠胚胎成纤维细胞(NIH3T3)和人脐静脉内皮细胞(Human umbilical vein endothelial cells,HUVEC)的细胞相容性。验证水凝胶的抗炎能力通过将水凝胶浸提液作用于被脂多糖作用的巨噬细胞,随后以qRT-PCR和免疫荧光来检测促炎因子和抗炎因子的表达。验证水凝胶在细胞水平的抗氧化性能通过DCFH-DA荧光染色法测定水凝胶清除ROS以减少对细胞的氧化损伤。验证水凝胶的抗菌性能通过抑菌圈实验和光热抗菌涂板实验验证水凝胶的光热抗菌能力,随后将水凝胶作用后的细菌拍摄扫描电子显微镜以观测细菌被破坏的结构再次验证其抗菌性能。通过将细胞与水凝胶共培养一段时间以验证水凝胶对细胞的粘附能力以及细胞在水凝胶上的伸展情况。验证水凝胶的促愈合能力通过将HUVEC种植于基质胶上,随后将水凝胶浸提液作用于HUVEC,在特定时间段观察水凝胶对于HUVEC促血管形成的能力。<br>  第三部分:负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶促进皮肤损伤修复的研究<br>  上述实验已经证明了水凝胶的生物相容性、抗氧化性、抗炎特性、光热性能、抗菌性能和促愈合能力等指标,最终选择负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶用于动物实验研究以在体内验证。在注射水凝胶后第14天取小鼠皮肤、肌肉组织和心、肝、脾、肺、肾这些重要脏器通过HE染色去检测水凝胶在小鼠体内的生物相容性。构建糖尿病小鼠感染伤口模型通过三个步骤建立:①以链脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)破坏小鼠的胰岛β细胞以建立糖尿病小鼠模型:将柠檬酸钠溶液与柠檬酸溶液混合达到所需pH值,将STZ溶解在上述溶液,两周内多次测量小鼠血糖水平,达到高血糖水平则证明糖尿病小鼠模型构建成功。②伤口造模:以碘伏标记需要剪开区域,用剪刀剪开标记区域。③以金黄色葡萄球菌悬浮液滴落在糖尿病小鼠感染伤口模型:提前将冻存的金黄色葡萄球菌复苏,待长到一定值后,取细菌悬液滴于伤口上,一天后测细菌数量则证明感染伤口模型的成功建立。将水凝胶注射到小鼠伤口,并在注射水凝胶当天和水凝胶治疗后第3、7、14天拍照记录小鼠伤口愈合情况。在固定时间取小鼠伤口部位皮肤和肌肉组织,用HE染色分析伤口愈合情况;用Masson染色分析伤口部位的胶原纤维情况;并在第14天取小鼠伤口组织,用免疫组化去分析相关炎症因子和血管生成因子的表达。<br>  结果:<br>  第一部分:负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶的制备和表征<br>  1、负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶的成功制备:傅里叶变换红外光谱结果表明OHA和PDA-NPs的成功制备。通过超景深显微镜,透射电子显微镜证明PDA-NPs的分散性较好。<br>  2、负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶的材料学表征:水凝胶的成胶时间均在30s内,水凝胶的含水率均在90%左右,具有较高的溶胀率,有利于吸收伤口处的渗出液;具有稳定的可降解性能;所有组水凝胶的储存模量(G’)均大于损耗模量(G”)且都具有疏松多孔的网络结构,有利于伤口部位营养物质的交换。双管注射水凝胶证明水凝胶具有良好的可注射性能;自愈合实验结果表明水凝胶显示出一定自愈能力。以上结果表明水凝胶可自适应来填充、粘附伤口。负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶在近红外光照射下在两分钟之内迅速升温(14.5-59.7℃ )证明该水凝胶具有较强的光热性能。<br>  第二部分:负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶的生物学性能<br>  负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶的生物学性能:CCK8实验和活/死荧光染色实验结果显示负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶对三种细胞包括:小鼠成纤维细胞( Mouse Fibroblasts Cells,L929)、小鼠胚胎成纤维细胞(Mouse Embryonic Fibroblast Cells,NIH3T3 )和人脐静脉内皮细胞(Human umbilical vein endothelial cells,HUVEC)细胞在共培养 1、3、5 天后,均表现出良好的细胞相容性(存活率大于90%)。溶血实验结果表明OGF水凝胶的溶血率均低于3%,符合国际标准(≤5%);采用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜拍摄黏附于水凝胶的HUVEC均可见材料的生物相容性。体外检测水凝胶的抗氧化能力,结果表明水凝胶对DPPH自由基的清除效率可达90%,对ABTS自由基的最大清除效率可达90%,细胞水平检测清除ROS抗氧化实验结果显示水凝胶能够显著降低过多ROS对细胞的氧化损伤。将水凝胶浸提液作用M1巨噬细胞,通过RT-qPCR和免疫荧光分别通过定量和定性验证该水凝胶的抗炎特性。将用负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行抑菌圈实验和光热抗菌实验,抑菌圈显示有明显的抑菌环;光热抗菌实验表明负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶在近红外光(Near-infrared light,NIR)照射3 min后,涂板后发现完全杀灭金黄色葡萄球菌和大肠杆菌,表明负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶具有良好的光热抗菌能力。同时使用扫描电子显微镜观察水凝胶作用后的细菌,发现细菌结构被明显破坏,这再次验证了负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶的抗菌能力。使用水凝胶浸提液作用于HUVEC,通过血管形成实验验证水凝胶的促伤口愈合能力。通过将细胞种植于水凝胶上,可以明显看到细胞短期内粘附于水凝胶表面,培养一段时间后细胞伸展开粘附于水凝胶孔隙内。由于负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶具有良好的生物相容性、抗氧化性、抗炎性能、光热抗菌、粘附能力和促愈合能力,因此选择负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶进行后续的动物实验。<br>  第三部分:负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶促进皮肤损伤修复的研究<br>  在糖尿病小鼠伤口感染模型中,通过伤口部位第7、14天的HE染色,Masson染色的结果来判断。与Control组和其他实验组相比,负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶组能更好更快地促进皮肤损伤的愈合,还能加速胶原蛋白沉积。免疫组化结果还显示水凝胶能抑制TNF-α、IL-1β的表达;促进IL-10和VEGF的表达,这些结果表明水凝胶具有抗炎能力和促血管形成能力。综上,负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶能够通过促损伤愈合、降低炎症反应、促进血管生成,从而加速皮肤损伤的愈合。<br>  结论:<br>  1、负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶的三维网络结构较稳定,具有良好的降解性、可注射性、自愈合性和光热性能等材料性能;还有着较好的生物相容性、抗氧化性、抗炎性能、光热抗菌能力、促伤口愈合等生物学性能。<br>  2、负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶通过降低小鼠伤口部位的促炎因子和增加伤口部位的抗炎因子来达到抗炎作用;通过清除ROS去降低对伤口部位的氧化损伤;通过促进血管形成和细胞迁移去促进伤口愈合;通过水凝胶载体本身的抗菌性能和PDA-NPs的光热协同抗菌作用去杀灭细菌。该水凝胶通过抗炎、抗氧化、促愈合和光热抗菌去促进糖尿病小鼠感染伤口的修复。<br>  3、负载PDA-NPs的EPL/OHA/SSD水凝胶作用于糖尿病鼠感染伤口后,通过减轻小鼠伤口部位的炎症,促进伤口部位的血管形成以促进糖尿病感染伤口愈合,并且对心、肝、脾、肺、肾这些重要脏器没有明显损害。

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导师 李锐
分类号 R318.08
发布时间 2024-09-26(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)
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