皮肤伤口愈合是一个高度复杂和动态的过程，需要激活和协调大量细胞内和细胞间信号来恢复组织的完整性，保持伤口的稳定性，并最终形成疤痕组织。不幸的是，由于各种因素例如手术、创伤、烧伤或其他皮肤损伤，伤口周围应力集中使成纤维细胞处于高机械张力状态，导致伤口愈合延迟，加剧病理纤维化，不可避免地会导致皮肤疤痕的形成，甚至引起组织功能障碍。
传统水凝胶通过提供湿润的伤口微环境和预防细菌感染来被动地促进伤口愈合。然而，它们无法主动促进伤口闭合。来自哈佛大学的Mooney教授团队于2019年在《Science Advances 》期刊发表了文章《仿生机械活性粘合敷料可加速伤口闭合》，作者借鉴了胚胎伤口愈合过程的理念，即伤口边缘细胞中形成肌动蛋白索，这些肌动蛋白索主动收缩并施加力量将伤口边缘拉在一起，受此启发他们开创性地提出了仿生机械活性收缩粘合敷料水凝胶。
近期，来自四川大学高分子科学与工程学院的赵长生、赵伟峰教授团队2024年9月16日在期刊《Advanced Science》上发表了一篇题为“A Skin Stress Shielding Platform Based on Body Temperature-Induced Shrinking of Hydrogel for Promoting Scar-Less Wound Healing”的工作。本文报道了一种创新的皮肤应力屏蔽水凝胶伤口敷料，它使伤口部位响应体温而收缩，然后重塑伤口部位的应力微环境以减少皮肤疤痕的形成。他们在前人的经验上进行了改良，并且研究解释了收缩水凝胶帮助伤口疤痕修复的机械信号传导机制。
N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）是一种广泛用于制备响应体温的自主收缩材料的材料，因为它的临界溶解温度较低，与正常体温非常接近。然而，作者之前的研究表明，随着温度升高，PNIPAm 基水凝胶的粘合性能显著下降。这种下降可以归因于聚合物链缔合导致水分子的释放，从而导致皮肤和水凝胶敷料之间形成新的水合层。因此，敷料粘合性能的降低会阻碍其固定伤口边缘并聚集在伤口中心以促进伤口闭合的能力。
Figure 1
基于上述认识，作者建立了基于改性羟丙基甲基纤维素 (M-HPMC) 和聚丙烯酸的皮肤应力屏蔽平台，其具有温度响应性收缩性、皮肤组织粘附性、抗菌能力和优异的生物相容性。M-HPMC 具有较低的临界溶解温度 (LCST)，可响应温度刺激触发其水合状态的变化，导致体积收缩。水凝胶中的羧酸基团有助于快速吸收和去除界面水，增强皮肤组织和粘合材料之间的粘附性，并且掺杂了聚吡咯-聚多巴胺 (PPy-PDA) 纳米粒子的导电水凝胶，具有促进组织愈合的能力。此外，将银-木质素磺酸钠 (Ag-SLS) 纳米粒子加入水凝胶敷料中不仅可以抵抗皮肤感染，还可以引发自由基聚合反应（Figure 1a）。随后，作者测试了水凝胶的收缩能力，在 37°C 下孵育5 小时后，能发生显著收缩，然而与 M-HPMC 水凝胶相比，PAA/M-HPMC 水凝胶的收缩过程速度较慢，在37°C 下5小时后的收缩率为31.2%（Figure 1c）。值得注意的是，只有 PAA/M-HPMC 保留了较好组织粘附性能。
作者使用猪皮作为模型组织进行了搭接剪切试验（图S5a，支持信息）以测量水凝胶的剪切强度。PAA/M-HPMC 水凝胶的剪切强度为 8.3 kPa，吸收伤口渗出液后其剪切强度不会显著下降。然后进行了5个循环的循环搭接剪切测试，一个循环包括将水凝胶附着到猪皮肤表面，通过拉伸负荷将其剥离（PAA/M-HPMC 水凝胶保持完整并粘附在一块猪皮上），然后在下一个循环之前重新粘附相同的水凝胶。发现剪切强度略有下降，但不影响可用性，在所有5个循环中均保持约7.5 kPa（Figure 1gh）。皮肤应力屏蔽平台的粘附能力与市场上现成的组织粘合剂和伤口敷料相当。
Figure 2
随后，作者对水凝胶的温度响应行为进行了测试。作者使用旋转流变仪和动态力学分析进行了测试。作者对PAA/M-HPMC 水凝胶样品进行了温度扫描。储能模量（G''）随温度升高而增加，而损耗模量（G'）保持相对不变。然而，通过检查tanδ（tanδ= G''/ G'，也称为阻尼因子，是描述材料在振动或动态载荷下耗散能量的能力的参数），可以清楚地确定相变温度，根据时间-温度等效原理，在45°C下可以快速观察到的相变在37 °C下可能需要更长时间才能实现。动态力学分析也表明，G ′ 和G ″ 都表现出相似的趋势，保持相似的幅度。
为了进一步了解凝胶在温度变化过程中力和应变之间的关系，作者进行了额外的实验。最初，在 1% 的应变下，静态力随着温度的升高逐渐增加。在37°C时，静态力达到0.016 N，如图2c所示。当以 0.03 N 的初始静态力开始时，随着温度的升高，应变逐渐从最初的1.5% 变为负值。在 37°C 时，应变为 -1.26%，表明水凝胶在这些条件下收缩，如图2d所示。这量化了37°C时水凝胶收缩产生的力，力随着应变而增加（一个动态过程）。
Figure 3
Figure 4
随后，作者测试了水凝胶的体外抗菌活性及生物相容性。实验结果都显示应力屏蔽伤口敷料具有良好的的组织修复潜力和优异的生物相容性。然后作者使用大鼠模型进行了体内伤口愈合效果实验。在大鼠背部皮肤上制造全层病变（直径 10 毫米）。随后，将水凝胶伤口敷料敷在伤口上以促进愈合。通过分析伤口面积的统计数据，作者发现第 3 天实验组的伤口面积明显小于对照组。令人惊讶的是，在第7天和第14天，实验组伤口愈合速度不再快于对照组。事实上，对照组的伤口面积略小于实验组（Figure 3d）。是因为温敏收缩敷料产生的机械力主要影响伤口部位的疤痕形成，设计了额外的实验将下文讨论。作者在第14天使用Masson染色和苏木精和伊红 (H&E) 分析再生皮肤组织的质量。H&E和Masson染色图像显示实验组和对照组均存在肉芽组织、表皮、少量毛囊和胶原沉积。
为了评估皮肤应力屏蔽水凝胶伤口敷料在体内的疗效，作者选择了全层损伤伤口愈合模型。将皮肤应力屏蔽水凝胶伤口敷料应用于直径为 10 毫米的背部切除伤口，与无应力屏蔽平台相比，通过评估皮肤疤痕的面积、颜色和生物力学特性，发现受伤后 6 周皮肤疤痕的形成明显减少（Figure 4b）。
为了更全面地了解应力屏蔽平台对伤口愈合的影响，作者对皮肤和皮肤疤痕组织的机械性能进行了深入分析。通过单轴应力拉伸失效实验，对正常皮肤和疤痕进行了评估。对照皮肤疤痕标本的拉伸强度最低，为 3.66 ± 0.65 MPa，而实验皮肤疤痕标本的拉伸强度为 4.72 ± 0.47 MPa（Figure 4e）。尽管与正常皮肤存在显著差异，但通过使用应力屏蔽伤口敷料，实验疤痕组织的延展性和拉伸强度得到了增强。表明皮肤应力屏蔽伤口敷料的物理干预可以改善皮肤疤痕的抗拉强度和着色，同时减少疤痕面积。
Figure 5
作者进一步检查了伤后6周疤痕组织样本的病理特征，重点关注胶原蛋白的过度沉积和细胞增多，这是疤痕形成的关键因素。从切片H&E染色可以看出，与正常皮肤组织相比，可以观察到细胞数量和细胞方向排列的显著差异（Figure 5a）。对照组组织的细胞数量增加，细胞排列更加有序。Masson染色显示新生皮肤组织中胶原蛋白的沉积明显高于正常皮肤组织。同时，用应力遮挡敷料处理的伤口组织与对照组相比胶原纤维的密度较低（Figure 5b）。在整个愈合过程中，创面中总胶原蛋白的沉积随着时间的推移而增加。对照组与实验组比较发现，在不同时间点，用伤口张力遮蔽敷料治疗的大鼠皮肤总胶原蛋白沉积略低于对照组。
Figure 6
FAK是一种非受体胞质酪氨酸激酶，介导生物力学信号通路，参与皮肤伤口愈合过程中的机械信号转导和成纤维细胞活化。皮肤张力增加会通过磷酸化增强FAK的激活。作者使用免疫组织化学标记来评估疤痕组织中这些与机械转导相关的蛋白质的水平，以研究FAK和p-FAK在该通路中的潜在参与。Figure 6a显示FAK染色广泛分布于整个疤痕组织，与正常皮肤组织相比，对照组的FAK染色强度相对较高。然而，在用应力屏蔽水凝胶敷料治疗的实验组中FAK的表达几乎为零（Figure 6b）。并且对照组p-FAK表达的相对水平也高于正常组织和实验组。皮肤应力屏蔽水凝胶伤口敷料通过温和的物理干预有效地重塑了伤口周围的应力集中，从而抑制了 FAK/p-FAK 的表达和激活。
转化生长因子β（TGF-β）是调节成纤维细胞迁移、增殖和细胞外基质沉积的重要调节因子，对伤口愈合具有多效性作用。TGF-β1 在皮肤组织中尤为重要，因为它是一种促纤维化细胞因子，可诱导成纤维细胞向肌成纤维细胞转化。伤口张力和应力集中增加可增强 TGF-β1 的激活。TGF-β1 的表达促进了过多的细胞外基质沉积，导致组织纤维化和皮肤疤痕增生的宏观表现。如Figure 6ad显示，与对照组相比，皮肤应力屏蔽水凝胶伤口敷料治疗的实验组 TGF-β1 的表达显著下调。这一结果表明皮肤应力屏蔽水凝胶伤口敷料可以重塑伤口的生物力学微环境，抑制皮肤疤痕形成。
肌成纤维细胞是成纤维细胞中被激活的表型，在伤口愈合过程中促进胶原和 ECM 的沉积。
肌成纤维细胞显著上调，有助于伤口收缩和组织重塑，这通过 α-SMA 染色来识别。但结果显示新生皮肤组织中 α-SMA 的表达水平远高于正常皮肤组织。愈合伤口中持续存在高表达的 α-SMA 会导致增生性瘢痕。造成这种实验现象的可能原因是新生皮肤组织的生物力学强度不足以抵消周围伤口皮肤的应力，导致 α-SMA 的激活。这表明可能需要在未来的实验中延长应力屏蔽伤口敷料的使用时间。Figure 6f的示意图说明了皮肤应力屏蔽伤口敷料如何重塑伤口周围的应力集中，并对皮肤疤痕的形成产生影响。
总之，作者开发了一种由M-HPMC和PAA组成的水凝胶，它具有温度响应性收缩性、对皮肤组织的强粘附性、抗菌性能和出色的生物相容性。证明了它能够有效重塑伤口周围的应力集中，从而减少皮肤疤痕的形成。干预机制主要是降低伤口张力，抑制成纤维细胞的激活和转导，以及胶原蛋白的过度沉积。水凝胶敷料创造的低应力微环境有效阻断了FAK/p-FAK 介导的机械信号传导和转化生长因子TGF-β1。总体而言，皮肤应力屏蔽伤口敷料成功地在伤口部位重建了低应力微环境，从而减少了皮肤疤痕面积。这种创新方法代表了高质量护理和修复皮肤伤口的新策略。
另外，分享一篇关于水凝胶的膨胀-收缩行为用于生物医学应用的研究进展。较好地总结了水凝胶的膨胀-收缩行为的设计与应用的思路。文章标题为“Tailoring the Swelling-Shrinkable Behavior of Hydrogels for Biomedical Applications”，于2023年8月发表于期刊《Advanced Science》。https://doi.org/10.1002/advs.202303326
【文章链接】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202306018
【DOI号】
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42388-y
[ 1] Feng W, Wang Z. Tailoring the Swelling‐Shrinkable Behavior of Hydrogels for Biomedical Applications[J]. Advanced Science, 2023, 10(28): 2303326.
来源：BiophyNJU
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