海洋生物活性高分子基伤口敷料的制备与性能研究
伤口愈合是一项由复杂级联反应(伤口愈合级联反应)构成的多尺度动态组织重塑过程，按照时间顺序可分为止血期、炎症期、增殖期和重塑期，四个时期相互重叠并又相互依赖，伴随不同生理特征的伤口微环境。伤口微环境可划分为伤口内环境(细胞质基质、细胞因子、炎症因子等)和伤口外环境(应力、湿度、温度等)，平衡、适度、适宜的内外环境是伤口快速愈合的关键。然而，由过度失血、细菌感染等原因引发的伤口内环境失衡，以及由应力、湿度等因素不适导致的伤口外环境干扰均会阻碍级联反应的正常进行，使伤口愈合延迟。伤口敷料作为受损皮肤组织的临时替代物，通过调控不同时期的伤口微环境可暂时性地保护、营养和管理伤口。海洋生物活性高分子(海藻酸钠，壳聚糖，胶原等)具有来源广泛、免疫原性低、生物相容性良好和生物活性功能广泛等优势，在伤口敷料领域具有重要的研究价值。然而，受限于糖基单元刚性分子链,海洋生物活性高分子基伤口敷料存在机械强度低、化学稳定性差和电绝缘等问题，无法满足伤口多通路管理的需求。 本论文针对内环境失衡(过度失血和细菌感染导致)和外环境干扰(应力过激和湿度不适)造成的伤口愈合困难问题，从伤口愈合前两个阶段止血期和炎症期伤口微环境特点出发，以海洋生物活性高分子为原材料，通过多尺度结构设计、功能化改性、离子螯合和静电自组装等策略制备伤口敷料用于实现伤口快速高质量愈合。 (1)针对伤口愈合前期化脓感染和过度失血导致的伤口愈合困难问题，本论文第一部分以海洋生物活性高分子衍生物羧甲基壳聚糖(CMCS)和羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为原材料，硅烷偶联剂KH560为添加剂，通过多尺度结构设计，采用预交联、冰模板、冷冻干燥和热处理等方式设计并制备了具有微通道取向结构的“吸收型” CCK敷料用于伤口清创引流和止血。对CCK结构和理化性质进行表征，其密度范围为22～37mg/cm3,孔隙率为84～95％,孔径分布在44～73 μm。CCK敷料在垂直和平行于温度梯度的两个方向上呈现出各向异性的结构特征、力学性能和吸液能力。CCK敷料的最大饱和吸液率为其自身重量的34～46倍，满足快速吸收伤口渗出液和浓缩血液的要求，能够在短时间内实现伤口清创引流和止血的功能。CCK敷料具有良好的细胞相容性和血液相容性，在所评估的样本中细胞活性均大于97％,溶血率均低于1％。体外动态全血凝固实验证明，相比于阴性对照组和阳性对照组，实验组BCI指数明显下降;大鼠股动脉止血实验证明，相比于阳性对照组和阴性对对照组,实验组止血时间分别降低56.0％和79.6％,失血量分别减少40.2％和79.4％;CCK伤口敷料通过浓缩血液组分，诱导血小板聚集和粘附,加速内源性和外源性凝血途径实现血液的快速凝固。 (2)“吸收型”伤口敷料通过定点移除减少细菌感染对于伤口愈合带来的影响，却无法进一步保护或营养伤口。基于湿性愈合理论的要求，针对伤口愈合前期内外部细菌感染引起的伤口愈合困难问题，首先通过Borch还原反应和标准EDC化学成功合成了壳聚糖衍生物hmCSC,随后通过一步法设计并制备了双配位双溶剂甘油水凝胶敷料(GCFen-gly DGHs),系统研究了 GCFen-gly DGHs敷料的动态转变行为和生物活性功能。双溶剂体系的构建使GCFen-gly DGHs的水蒸发速率，模量变化速率以及粘附强度变化速率都明显降低，在72h之后的总溶剂含量仍可达到84.8％,使得凝胶敷料在长时间的观察尺度范围内都呈现出类皮肤的性质，保持敷料与伤口组织的模量匹配性。在拥有良好细胞以及血液相容性的同时，GCFen-gly DGHs展现出优异的抗氧化，抗紫外，密封止血以及功能化官能团/光热协同抗菌的生物活性功能。在1mg/mL浓度下，GCFen-gly DGHs对DPPH·和ABTS·+自由基的清除率分别达到68.9％和74.5％。在表面接触抗菌实验中，经过 GCFen-gly DGHs 处理的 E.coli、S.aureus 和 MRSA,其相对细菌活性分别降至4.11％、3.85％和3.93％。大鼠断尾止血和大鼠股动脉穿刺止血实验证明GCFen-gly DGHs具有一定的止血能力。GCFen-gly DGHs通过创造湿性环境，对抗氧化应激，降低细菌感染风险，促进肉芽组织再生、再上皮化、胶原沉积和血管再生等方式，加速感染性伤口愈合。 (3)除伤口内环境失衡，伤口外环境干扰同样是影响伤口愈合的重要原因。局部过大的应力刺激会造成敷料的二次破坏以及伤口的二次损伤;干燥环境无法满足伤口湿性愈合的要求，而过高的湿度又会增加伤口细菌感染的风险。基于GCFe5-gly DGHs的形状自适应性和导电性，论文系统研究了 GCFe5-gly DGHs基传感器的应力-电阻和应变-电阻的信号响应规律，实验结果表明伤口处所受应力的方向，大小和频率可根据电阻的相对变化△R/R0所呈现出的峰方向，峰值大小和峰间距判断。为实现伤口湿度的监测，本论文第三部分以多孔PVDF为基底膜，通过静电自组装和真空抽滤，在酸性液相体系中构建了稳定的壳聚糖/MXene悬浮液，并制备了 PVDF/壳聚糖/MXene柔性抗菌伤口敷料P-CM。P-CM具有显著的光热抗菌能力和湿度响应特性，在对感染性伤口治疗的同时可以实现伤口湿度的稳定监测。
伤口敷料;海洋生物活性高分子;结构设计;功能化改性;离子螯合;静电自组装
北京化工大学
博士
材料科学与工程
马贵平
2023
中文
R318.08
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）