抗冻导电半互穿网络水凝胶通过氧化应激调控促进伤口愈合的机制与应用研究

时间:2026年1月21日
来源:Interdisciplinary Medicine

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本文开发了一种基于丝素蛋白甲基丙烯酸酯(SFMA)和普朗尼克F127(PF)的多功能半互穿网络水凝胶(SIPN)。该SFMA9/PF1水凝胶兼具优异机械顺应性、导电性(~0.42 S·cm−1)、抗氧化活性及抗冻性能(-20°C/-80°C),能有效清除DPPH/H2O2自由基并降低细胞内ROS水平。在大鼠全层皮肤缺损模型中,该水凝胶显著加速伤口闭合、促进血管生成(CD31↑)并抑制炎症因子(IL-6↓),为皮肤组织工程提供了创新解决方案。

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1 引言
皮肤作为人体最大器官,其损伤后活性氧(ROS)的过度积累会引发氧化应激、细胞凋亡和炎症反应,阻碍组织再生。水凝胶材料因其良好的生物相容性和保湿性成为理想伤口敷料,而丝素蛋白(SF)作为天然高分子材料,通过甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)改性后形成的丝素蛋白甲基丙烯酸酯(SFMA)具备光交联特性和可调控降解性。普朗尼克F127(PF)的引入可进一步提升水凝胶的孔隙率和离子导电性。本研究通过构建SFMA/PF半互穿网络结构,旨在开发一种能协同调控微环境的多功能水凝胶。
2 材料与方法
SFMA的合成通过LiBr溶液溶解脱胶蚕丝后与GMA反应,经透析冻干获得。将SFMA与PF按质量比9:1、8:2、7:3混合后加入光引发剂2959,紫外光照射形成水凝胶。通过核磁共振(1H NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证SFMA的甲基丙烯酰化及PF的成功引入。扫描电镜(SEM)显示随着PF比例增加,水凝胶孔隙率升高。流变学测试表明SFMA9/PF1的储能模量(G′)最高,且具备良好的温度稳定性(0-45°C)和应变耐受性(应变>200%时仍保持结构完整)。导电性能通过电化学阻抗谱(EIS)评估,SFMA9/PF1电导率达~0.42 S·cm−1,显著高于纯SFMA。抗冻实验显示水凝胶在-80°C下仍保持柔韧性。
3 结果
3.1 水凝胶结构与性能
SFMA与PF通过氢键(键长2.02 Å和2.85 Å)形成稳定互穿网络。SFMA9/PF1水凝胶具备可注射性和可塑性,能通过23G针头挤出并固化成型。溶胀实验显示SFMA7/PF3的吸水率超5000%,而SFMA9/PF1透光率>80%。压缩测试表明PF的加入降低了材料刚度但提升了韧性。降解实验中,SFMA9/PF1在10天后仍保留40%质量,缓释特性优于纯SFMA。
3.2 生物学功能
CCK-8和活死染色证实水凝胶无细胞毒性,L929细胞在材料表面黏附扩展良好。Transwell和小室迁移实验显示SFMA9/PF1显著促进细胞迁移(p≤0.01)。抗氧化实验中,SFMA9/PF1对DPPH和H2O2的清除能力均优于对照组,并能降低H2O2诱导的细胞内ROS水平。
3.3 体内伤口愈合
在大鼠全层皮肤缺损模型中,SFMA9/PF1组第13天伤口闭合率显著高于对照组(p≤0.001)。H&E染色显示实验组上皮层更完整,炎症细胞浸润减少;Masson染色可见胶原纤维排列有序。免疫荧光分析进一步证实SFMA9/PF1组CD31阳性面积增加(血管生成),α-SMA阳性面积减少(肌成纤维细胞活化抑制),IL-6表达下降(炎症缓解)。
4 讨论
PF的引入通过物理缠结增强水凝胶的弹性模量,同时LiBr和PF的协同作用赋予材料抗冻特性。导电性的提升源于PF增大的离子迁移通道,而抗氧化活性则归因于SFMA中的亲核基团与PF的协同自由基清除作用。体内实验表明,水凝胶通过调控ROS/炎症通路促进再上皮化和胶原重塑,同时PF的屏蔽效应降低了SFMA可能引发的免疫反应。
5 结论
SFMA9/PF1水凝胶整合了力学适应性、导电性、抗氧化和抗冻功能,能有效优化伤口微环境,加速皮肤组织再生,在慢性伤口治疗和组织工程中具有广阔应用前景。

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