基于羧甲基纤维素/壳聚糖的水凝胶在深度烧伤愈合中展现出强粘附性、按需分离和自修复性能的研究报告

作者及发表信息
本研究由福建农林大学材料工程学院的Mengya Li、Haofan Qu等共同完成，通讯作者为Shengchang Lu、Yang Wu、Zhanhui Yuan和Hui Wu。合作单位包括福建农林大学园艺学院、福建技术师范学院材料与包装工程学院及九牧厨卫股份有限公司。研究成果发表于《Chemical Engineering Journal》期刊，2024年9月12日在线发表，卷498，文章编号155552。

学术背景
烧伤是全球范围内严重的创伤性损伤之一，每年约18万人死于烧伤。传统敷料在湿润环境维持、粘附性和按需移除等方面存在局限，易导致二次损伤或感染。水凝胶因其高含水率（与细胞外基质相似）和生物相容性成为理想敷料候选，但现有材料普遍缺乏动态粘附与可控分离能力。本研究旨在开发一种基于羧甲基纤维素（CMC）和壳聚糖（CS）的复合水凝胶，通过希夫碱（Schiff-base）反应构建动态交联网络，实现强组织粘附、自修复和按需分离功能，以促进深度烧伤愈合。

研究流程与方法
1. 材料合成与表征
- 氧化羧甲基纤维素（DCMC）制备：以高碘酸钠氧化CMC，引入醛基（含量3.71±0.04 mmol/g），通过FTIR和核磁共振（¹H NMR）验证结构，特征峰1735 cm⁻¹（醛基）和5.0–5.4 ppm（半缩醛质子）确认成功氧化。
- 多巴胺修饰羧甲基壳聚糖（CS-DA）合成：通过酰胺化反应将多巴胺（DOPA）接枝到羧甲基壳聚糖（CMCS）上，紫外光谱（UV-Vis）280 nm处吸收峰证实酚羟基引入，最高接枝量为0.48±0.03 mmol/g。粘附测试显示，CS-DA对猪皮粘附强度达114.5±3.1 kPa。

1. 水凝胶构建与性能测试

   • 动态交联：DCMC的醛基与CS-DA的氨基通过希夫碱反应形成可逆共价键，赋予水凝胶自修复能力（室温下24分钟裂纹完全愈合）。流变学测试显示储能模量（G′）最高达1007.65 Pa（CS-DA与DCMC质量比3.5:1）。
     
   • 功能验证：
     
     • 按需分离：12%甘氨酸溶液破坏希夫碱平衡，35分钟内完全溶解水凝胶，实现无痛移除。
       
     • 粘附性能：猪皮搭接实验显示粘附强度27.3±1.4 kPa，可持续10小时以上。
       
     • 细胞相容性：NIH 3T3细胞培养3天后存活率97.4%，Calcein-AM/PI双染色证实无毒性。
       

2. 动物实验

   • 烧伤模型：SD大鼠背部制造直径1.2 cm的深度烧伤，分为对照组（无处理）、纱布组和水凝胶组。
     
   • 疗效评估：第15天时，水凝胶组愈合率95.1±3.5%，显著高于对照组（77.6±3.5%）。H&E染色显示表皮厚度（51.52±16.97 μm）接近正常皮肤，Masson染色显示胶原沉积量（45.9±2.6%）高于纱布组（43.5±1.8%）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 动态网络设计：希夫碱反应赋予水凝胶自修复和可控降解性，流变学数据（G′>G″）证实其凝胶稳定性，支撑后续粘附与分离功能。
2. 多巴胺增强粘附：CS-DA中酚羟基通过氢键、π-π堆积与组织表面相互作用，粘附强度数据（27.3 kPa）为烧伤敷料提供可靠固定。
3. 动物实验验证：高愈合率与胶原沉积结果证实水凝胶通过维持湿润环境、吸收渗出液和促进上皮再生加速创伤修复。

结论与价值
1. 科学价值：首次将DCMC与CS-DA通过动态共价键结合，解决了传统水凝胶粘附不可控的难题，为生物医用材料设计提供新策略。
2. 应用价值：该水凝胶兼具注射成型（适应不规则创面）、快速止血（猪皮实验）和抗感染（细胞实验）功能，可转化为临床烧伤敷料。

研究亮点
1. 多功能集成：单一材料同时实现粘附、自修复、按需分离和促愈合，性能优于同类产品（如CMC/DACNC水凝胶无粘附性，DCMC-DA/PAA粘附强度仅2.95 kPa）。
2. 动态化学调控：通过氨基酸溶液触发希夫碱键断裂，避免机械移除导致的二次损伤，方法新颖且临床适用性强。
3. 绿色合成：全程无需有毒交联剂，符合生物材料安全标准。

其他价值
研究还发现水凝胶的孔隙结构（SEM显示孔径随CS-DA增加而减小）影响溶胀率（24.88），为后续材料优化提供参数依据。