全自动生长曲线分析仪

Metal-ion-controlled hydrogel dressing with enhanced adhesive and antibacterial properties for accelerated wound healing

具备增强粘附与抗菌特性、金属离子可控型水凝胶敷料用于促进伤口愈合

来源：Materials Today Bio, Volume 26, Article ID 101039, 2024,《今日生物材料》，第26卷，文章编号101039，2024年，DOI:10.1016/j.mtbio.2024.101039

摘要

传统伤口敷料存在粘附力弱、更换时造成二次损伤、抗菌能力不足、降解周期不可控等缺陷。本研究以透明质酸（HA）为基质，接枝多巴胺（DOPA）与咪唑衍生物构建双交联HIDs水凝胶，依靠三价铁离子构建初始动态配位网络赋予高组织粘附，铜离子可竞争置换配位位点实现无痛可控剥离。该水凝胶具备快速自修复（7–8秒）、可注射特性，机械性能优异，抗压上限12 kPa、拉伸强度25 kPa，猪皮粘附强度可达6 kPa；咪唑组分对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具备强效抑制效果，体外细胞实验证明无明显细胞毒性。降解实验显示HIDs可在37小时内完全降解；体外采用芬兰全自动Bioscreen微生物生长分析仪测定细菌生长曲线，确定最低抑菌浓度MIC。小鼠全皮层伤口模型体内实验证实，HIDs敷料可减轻局部炎症、促进胶原沉积与表皮再生，10天伤口愈合率接近100%，且心肝脾肺肾脏器切片无病理损伤。该金属离子响应型多功能水凝胶同时解决敷料粘附、剥离、抗菌、促愈合四大痛点，为临床创伤护理提供新型生物敷料方案。

关键词

透明质酸；多巴胺；咪唑；金属离子响应；可控剥离；自修复水凝胶；伤口敷料；抗菌；皮肤创伤；Bioscreen生长曲线

研究目的

1. 构建多巴胺-咪唑双交联、铁离子预交联透明质酸HIDs多功能水凝胶，表征流变、力学、粘附、自修复与可注射性能。

2. 借助芬兰Bioscreen仪器定量测定水凝胶对革兰氏阳性、阴性菌的MIC，系统评价体外抗菌活性。

3. 验证Cu²⁺竞争置换Fe³+配位机制，阐明敷料可控无痛剥离分子原理。

4. 测定水凝胶体内外降解速率，明确材料可完全生物降解特性。

5. 通过L929成纤维细胞实验评估材料体外细胞生物安全性。

6. 建立小鼠全皮层创伤模型，评价HIDs体内抗炎、胶原再生、加速伤口愈合效果与全身脏器毒性。

研究思路

1. 材料合成：分步合成咪唑衍生物、多巴胺修饰透明质酸，Fe³+介导双交联网络制备HIDs水凝胶；FTIR、元素分析、SEM表征化学结构与微观形貌。

2. 流变与力学测试：AR-G2流变仪测凝胶化时间、温度稳定性；万能试验机完成拉伸、压缩、猪皮粘附力学测试。

3. 金属离子响应实验：分别添加Cu²+、Ca²+，流变监测模量变化，EDS检测金属离子置换分布，观察剥离效果。

4. 自修复与可注射测试：切割拼接观察自修复时长，注射器注射成型验证可塑性。

5. 抗菌实验：牛津杯定性抑菌圈；梯度浓度菌液添加水凝胶，Bioscreen C 37℃连续48h每3h测OD，绘制生长曲线计算MIC；电镜观察细菌形态破坏。

6. 体外降解与细胞毒性：体外定时称重测降解残留；MTT法检测L929细胞活力。

7. 体内动物实验：小鼠背部全皮层伤口，分空白、单纯HA、HIDs三组给药，定时拍照计算愈合面积；第10天取伤口组织H&E、Masson三色染色，同时采集内脏做病理切片评价系统毒性。

研究亮点

1. 创新金属离子双调控体系：Fe³+预交联赋予高皮肤粘附，Cu²+竞争置换破坏配位网络实现无痛剥离，解决敷料更换二次损伤难题。

2. 一步双交联一体化设计，同时整合多巴胺粘附、咪唑广谱抗菌两大功能，兼具快速自修复、可注射、完全可降解多重优势。

3. 采用Bioscreen高通量动态监测细菌增殖，精准定量抑菌浓度，直观证明水凝胶对金葡菌、大肠杆菌强效抑制作用。

4. 体外无细胞毒性，动物实验可显著降低创面炎症、加速胶原与表皮再生，10天创面基本闭合，全身脏器无损伤，生物安全性优良。

5. 材料合成工艺简单，生物相容性基质透明质酸来源广泛，具备医用敷料产业化开发潜力。

可延伸的方向

1. 优化咪唑、多巴胺接枝比例，进一步提升抗菌活性与组织粘附平衡。

2. 负载生长因子、银离子构建复合功能水凝胶，用于感染性慢性难愈伤口。

3. 开发凝胶喷雾剂型，适配不规则、浅表擦伤临床场景。

4. 开展大鼠糖尿病伤口模型，验证材料对难治性溃疡修复效果。

5. 探究不同金属离子配比调控降解速率，定制短期/长效敷料配方。

6. 开展皮肤刺激性长期动物实验，推进医疗器械申报相关研究。

测量的数据及研究意义

1. Bioscreen C测得大肠杆菌、金黄色葡萄球菌48h连续生长OD曲线、MIC数值，数据来源图7E、7F，研究意义：梯度浓度动态生长数据直观量化HIDs抑菌剂量效应，确定对金葡菌MIC 1.8%、大肠杆菌MIC 2.1%，为抗菌能力提供连续定量证据，区别单一终点抑菌圈定性结果。

2. FTIR、CHN元素分析、SEM微观形貌数据，数据来源图2、表1，研究意义：证实多巴胺、咪唑成功接枝透明质酸，形成致密三维多孔交联网络，解释力学与粘附性能提升的结构基础。

3. 流变、拉伸、压缩、猪皮粘附力学曲线，数据来源图3、图4，研究意义：量化水凝胶凝胶化时间22–28秒，粘附强度6 kPa，拉伸、抗压性能远优于纯HA，满足肢体活动创面贴合需求。

4. Cu²+置换流变模量、EDS元素分布数据，数据来源图4E、4I，研究意义：阐明Cu²+竞争Fe³+配位、破坏氢键实现可控剥离机制，为敷料无痛更换提供理论支撑。

5. 体内外降解残留质量变化曲线，数据来源图5，研究意义： 证明HIDs体外24h残留仅25%，体内37h近乎完全降解，无长期组织残留风险。

6. L929细胞MTT活力数据，数据来源图7G，研究意义：水凝胶浸提液细胞存活率超85%，符合医用材料无细胞毒性标准。

7. 小鼠创面愈合面积、组织H&E/Masson染色、内脏病理切片，数据来源图8、表2，研究意义： HIDs组10天愈合率近100%，炎症细胞少、胶原大量沉积，心肝脾肺肾无病理损伤，体内修复与安全性能得到验证。

结论

1. 以透明质酸为骨架，接枝多巴胺、咪唑衍生物，Fe³+配位交联制备HIDs双网络水凝胶，具备快速自修复（7–8 s）、可注射、高组织粘附特性。

2. 该水凝胶依靠咪唑组分实现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌强效抑制，Bioscreen生长实验明确最低抑菌浓度，体外无细胞毒性。

3. Cu²+可竞争置换Fe³+配位位点，破坏水凝胶与皮肤间氢键，实现敷料无痛剥离，避免换药二次创伤。

4. HIDs体外37小时可完全生物降解，小鼠全皮层创伤模型中能减轻创面炎症、促进胶原与表皮再生，10天伤口基本愈合，各脏器无毒性损伤。

5. 该金属离子响应型多功能水凝胶同步解决传统敷料粘附差、难剥离、抗菌弱、不可控降解缺陷，是高性能创伤敷料优良候选材料。

使用芬兰 Bioscreen仪器测量数据的研究意义

1. 采用芬兰Bioscreen C全自动微生物生长分析仪，96孔高通量同步设置多梯度水凝胶浓度、空白对照组，37℃恒温持续振荡，每3小时自动采集OD600数值，连续监测48小时完整细菌生长周期。

2. 全程密闭自动化检测，无需人工多次开盖移液，规避温度波动、交叉污染、人工操作带来系统误差，各组生长曲线平行性、重复性更好。

3. 区别传统单一终点抑菌圈仅定性判断，连续时序OD数据可直观区分轻微抑制、完全抑制的浓度阈值，精准计算MIC，定量评估抑菌强弱。

4. 微量液体培养体系大幅减少菌液、培养基、水凝胶样品消耗，适合抗菌材料大批量浓度梯度高通量筛选，缩短体外抑菌实验周期。

5. 仪器输出标准化连续数值，可直接导入统计软件做方差分析，消除肉眼判读抑菌效果主观偏差，抗菌结论客观可重复。

6. Bioscreen动态抑菌数据与抑菌圈、细菌电镜、细胞毒性、体内创面愈合多层次实验交叉印证，完整构建“HIDs材料—金属离子调控—体外抗菌—体内促伤口修复”完整证据链。