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南工陈苏教授团队《Adv.Sci.》:基于微流控技术构筑pH值可调的微凝胶人造皮肤

学术动态    2022-07-07 09:08

 

DOI: 10.1002/advs.202201254

 

皮肤作为人体最大的组织器官,在维持体内环境稳定及抗外界细菌感染方面起着至关重要的作用。皮肤在愈合过程中的细胞代谢和细胞增殖受伤口微环境(如物理、化学和生物因素)如温度、伤口部位的pH值、氧气水平,或葡萄糖水平的影响。作为伤口微环境的基本参数之一,细胞内和细胞外的pH强烈影响着细胞过程(酶活性、大分子合成、代谢物运输)和细胞周期过程(炎症、胶原形成和血管生成)的四个阶段。因此,在四个阶段适当调节伤口的pH值可以加速皮肤伤口愈合,例如,在初始阶段(止血和炎症)建立酸性环境以抑制细菌感染并促进血管再生,然后在其后(增生和重塑)建立碱性环境以促进细胞增殖并促进皮肤重塑。

 

南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授、王彩凤教授与东部战区总医院王革非主任合作,创新性地采用微流控技术开发出一种能够在四个愈合阶段连续智能调节伤口pH值的微凝胶组装体人造皮肤,这可以极大地促进慢性皮肤创伤的愈合和组织功能的恢复。在微凝胶组装体中,凝胶1和凝胶2分别富含有-COOH和-NH2,可以分别对碱性环境和酸性环境作出响应,因此可以在创面润湿的微环境中释放或吸附H+,从而实现创面pH值的动态酸碱调节。

图1.微凝胶组装体的形成与应用。a) 通过聚 (HPA-co-AA)-Mg2+ 凝胶(凝胶 1)和 CMCS 凝胶(凝胶 2)之间的氢键作用合成微凝胶组装体的示意图。b)使用特定的微流控芯片和通道,将凝胶1和2组装成具有各种宏观结构的微凝胶集合。c) 用于皮肤伤口治疗的微凝胶组装体的 pH 调节机制,和 d) 相应的皮肤愈合机制。

图2 微凝胶系综的制备及特点。a)微流控技术制备微凝胶集成体示意图。b)微凝胶系综分子结构示意图。c)通过微流控组装技术,使用凝胶1和凝胶2微珠作为构建模块,构建平面和三维有序组件。d)凝胶1、凝胶2自愈前后的红外光谱、光学图像。e)大肠杆菌和f)金黄色葡萄球菌与微凝胶集合接触后活菌/死菌存活测定的SEM图像。

图3 微凝胶群的pH调节。a)感染创面、非感染创面和正常皮肤创面体内pH值随愈合时间的变化曲线。b)凝胶1、微凝胶系综和凝胶2的体外pH值随时间的变化曲线。条形表示标准误差,n = 5。c)凝胶1、微凝胶组和凝胶2体内创面pH值随愈合时间的变化曲线。条形表示标准误差,n = 5。d)乳酸影响pH调节的示意图,其原因是供氧不足。e)微凝胶组合减少乳酸的原理。

图4 体外和体内脂肪细胞激活和成纤维细胞增殖的验证。a)微凝胶整体治疗全层皮肤缺损后不同阶段新组织的H&E荧光染色图像。b)慢性伤口4个愈合阶段(止血、炎症、增生、重塑)随时间的H&E荧光染色图像。(a)和(b)比例尺为200 μ m,每组n = 5。凝胶材料c)加Mg2+和d)不加Mg2+的荧光染色图像,结果显示含Mg2+的凝胶材料能有效激活f -肌动蛋白。

图5 皮肤形成的四个过程(创面愈合面积、肉芽生长厚度、巨噬细胞极化、新生血管再生)。a)分别用微凝胶组、凝胶1、凝胶2、感染和PBS处理的大鼠代表性皮肤创面愈合过程的数字照片。比例尺为1 cm,每组n = 7。b)微凝胶组、凝胶1组、凝胶2组、感染组和PBS组肉芽生长的H&E显微镜图像。标尺为200µm,每组n = 7。c)巨噬细胞和d) m的新血管免疫荧光双染色图像。