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針對(duì)上述問(wèn)題，西交大郭保林、趙鑫團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)了一種具有聲電效應(yīng)的壓電雙網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)韌水凝膠，通過(guò)摻入金納米顆粒修飾的鈦酸鋇（BTO@Au）以及熱響應(yīng)性雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了按需熱收縮和聲電效應(yīng)，從而能夠促進(jìn)感染關(guān)節(jié)皮膚傷口的愈合。這種水凝膠具備溫度敏感軟化、按需熱收縮性能、高機(jī)械強(qiáng)度、良好組織粘附性、出色壓電性、可調(diào)聲電行為、可控光熱性能以及良好生物相容性等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)調(diào)控聲電效應(yīng)，水凝膠在短期內(nèi)可以消除傷口細(xì)菌，在長(zhǎng)期內(nèi)則能促進(jìn)人成纖維細(xì)胞的增殖和遷移。在小鼠模型中，該水凝膠敷料通過(guò)促進(jìn)成纖維細(xì)胞遷移、增強(qiáng)膠原沉積和促進(jìn)血管生成，有效促進(jìn)了耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）感染皮膚缺損的愈合，為慢性關(guān)節(jié)皮膚傷口敷料的設(shè)計(jì)提供了新的策略。該文章于2025年3月31日以《Piezoelectric dual-network tough hydrogel with on-demand thermal contraction and sonopiezoelectric effect for promoting infected-joint-skin-wound healing via FAK and AKT signaling pathways》為題發(fā)表于《National Science Review》（DOI: 10.1093/nsr/nwaf118）。

（1）水凝膠的合成與表征

該研究以明膠衍生物和 PNIPAM 為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制備了雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠敷料，用于促進(jìn)慢性感染傷口愈合。如圖 1A，水凝膠由 UPy 修飾的 GU 形成第一網(wǎng)絡(luò)，NIPAM 和 GMA 形成第二網(wǎng)絡(luò)，且加入載金納米顆粒的 BTO 納米立方體（BTO@Au）。水凝膠在光熱作用下可主動(dòng)收縮，收縮力源于 PNIPAM 聚合物鏈。如圖 1B，GMA 作為大分子交聯(lián)劑，與 NIPAM 共聚并與第一網(wǎng)絡(luò)相互作用，增強(qiáng)水凝膠機(jī)械強(qiáng)度。金納米顆粒與 BTO 形成肖特基結(jié)，賦予水凝膠壓電性能。如圖 1C，通過(guò)高強(qiáng)度超聲（1.5 W/cm2）觸發(fā)壓電效應(yīng)，產(chǎn)生 ROS，有效解決皮膚傷口早期耐藥細(xì)菌感染問(wèn)題。

圖1 水凝膠制備、熱響應(yīng)收縮機(jī)制及慢性感染傷口應(yīng)用示意圖。（a）UNMx和UNMx/BAy水凝膠制備，U、N、M、BA分別代表GU、NIPAM、GMA、BTO@Au，x、y為GMA和BTO@Au濃度（mg/mL）；（b）水凝膠熱響應(yīng)收縮原理，加熱增強(qiáng)收縮效率，冷卻固定收縮；（c）水凝膠治療慢性感染傷口機(jī)制

（2）UNMX水凝膠的流變性能、拉伸強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GMA含量提升使UNMx水凝膠敷料儲(chǔ)能模量和力學(xué)強(qiáng)度增加。角頻率10rad/s時(shí)，UNM0儲(chǔ)能模量約983Pa，GMA含量增至5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL時(shí)，UNM5、UNM10、UNM20儲(chǔ)能模量分別增至1354Pa、2124Pa、4179Pa（圖2A）。拉伸測(cè)試顯示，GMA含量增加使UNMx水凝膠敷料韌性提高，UNM0、UNM5、UNM10、UNM20韌性值分別為2.33kJ/M3、2.85kJ/M3、4.16kJ/M3、3.51kJ/M3，UNM10韌性最高（圖2B）。豬皮搭接剪切測(cè)試中，UNM10/BA1組織粘附強(qiáng)度達(dá)9.59kPa，高于UNM10的8.22kPa（圖2C），GMA含量從0增至5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL時(shí)，UNM0、UNM5、UNM10、UNM20組織粘附強(qiáng)度從3.39kPa增至6.06kPa、8.22kPa、10.27kPa。為優(yōu)化水凝膠敷料主動(dòng)熱響應(yīng)收縮性能，設(shè)計(jì)利用GU中氫鍵在加熱時(shí)提高收縮效率、冷卻時(shí)固定收縮的機(jī)制，變溫流變學(xué)測(cè)試驗(yàn)證（圖2D）。室溫下，水凝膠敷料儲(chǔ)能模量隨GMA含量增加而增加，含GMA的UNM5、UNM10、UNM20儲(chǔ)能模量隨溫度升高降低，因GU中氫鍵斷裂提高收縮效率；溫度回到小鼠皮膚溫度時(shí)，PNIPAM分子鏈保持塌陷狀態(tài)，GU中氫鍵重新形成增加儲(chǔ)能模量，固定收縮狀態(tài)，提高熱響應(yīng)收縮效率；不含GMA的UNM0在32℃時(shí)儲(chǔ)能模量急劇增加，40℃后緩慢降低，含GMA的UNM5、UNM10、UNM20因GMA交聯(lián)影響收縮受限，對(duì)儲(chǔ)能模量影響不大，高于40℃時(shí)，GU中氫鍵斷裂成影響儲(chǔ)能模量主要因素，儲(chǔ)能模量隨溫度升高緩慢降低。綜合考慮流變學(xué)性能、拉伸強(qiáng)度和組織粘附強(qiáng)度，選擇UNM10進(jìn)行后續(xù)研究。

(3) UNMX/BAy水凝膠的機(jī)械、導(dǎo)電和生物相容性

添加BTO@Au形成UNMX/BAy水凝膠敷料，顯著影響其機(jī)械性能（圖2E）。BTO@Au含量從0 mg/mL增至0.5 mg/mL、1 mg/mL、2 mg/mL時(shí)，UNM10、UNM10/BA0.5、UNM10/BA1、UNM10/BA2在60%應(yīng)變下單軸壓縮應(yīng)力分別增至0.014 MPa、0.027 MPa、0.043 MPa、0.116 MPa，壓縮斷裂應(yīng)變從95%降至82%、75%、67%，因BTO@Au限制聚合物鏈運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)強(qiáng)度并增脆性。拉伸試驗(yàn)中，BTO@Au含量增加時(shí)，UNM10、UNM10/BA0.5、UNM10/BA1、UNM10/BA2在50%應(yīng)變下拉伸強(qiáng)度分別從4.24 kPa增至7.63 kPa、10.95 kPa、16.27 kPa（圖2F）。電導(dǎo)率測(cè)試顯示，BTO@Au含量對(duì)電導(dǎo)率影響顯著（圖2G）。不含BTO@Au的UNM10電導(dǎo)率為9.35×10?2 S/m，BTO@Au濃度從0.5 mg/mL增至1 mg/mL、2 mg/mL時(shí)，電導(dǎo)率分別增至1.09×10?2 S/m、1.27×10?2 S/m、1.53×10?2 S/m，表明可通過(guò)調(diào)整BTO@Au含量制備電導(dǎo)率可調(diào)的水凝膠。

(4) UNMX/BAY水凝膠的光熱溫敏性能

BTO@Au的摻入使UNMX/BAy水凝膠敷料具有優(yōu)異的近紅外（NIR）光熱特性。圖2H顯示，在1.4 W/cm2的固定功率密度下，NIR照射600秒后，隨BTO@Au含量增加，UNM10/BA0.5、UNM10/BA1、UNM10/BA2的溫度增加值從2.8℃增至8.3℃、11.6℃，不含BTO@Au的UNM10溫度變化不顯著，表明光熱性質(zhì)源于BTO@Au。光熱曲線在260-300秒間存在拐點(diǎn)，溫度上升速率增加（圖2I），歸因于水凝膠溫敏收縮，增加了單位體積的BTO@Au含量，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。研究溫度響應(yīng)收縮時(shí)，將水凝膠敷料浸入去離子水中并加熱。圖2J顯示，37℃下培育30分鐘，隨BTO@Au濃度從0增至0.5 mg/mL、1 mg/mL、2 mg/mL，表面收縮應(yīng)變從67.09%降至62.57%、57.43%、51.67%。圖2K顯示，37℃下培育3分鐘，隨BTO@Au濃度增加，表面收縮應(yīng)變從76.68%降至70.18%、65.21%、61.88%，總體趨勢(shì)是BTO@Au含量增加，溫敏收縮減弱，但所有樣品收縮應(yīng)變均高于僅在37℃下培育的樣品。SEM結(jié)果表明，復(fù)合材料熱響應(yīng)收縮性能優(yōu)于普通熱收縮材料。圖2L和M顯示，BTO@Au濃度為1 mg/mL時(shí)，37℃下培育30分鐘后，UNM10/BA1內(nèi)孔徑從室溫下的57.0μm降至21.0μm，證實(shí)其熱響應(yīng)收縮特性。超聲加熱不影響水凝膠熱收縮特性，如第5天相似的傷口收縮率所示（圖4A和C）。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，水凝膠在超聲刺激下保持優(yōu)異的抗菌性能并調(diào)節(jié)細(xì)胞行為，超聲產(chǎn)生的熱量不影響水凝膠在傷口愈合中的多功能性。

圖2 UNMx/BAy水凝膠的表征與性能。（a）UNMx水凝膠不同頻率下的流變性質(zhì)；（b）UNMx水凝膠拉伸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線；（c）UNMx/BAy水凝膠在豬皮上的組織粘附強(qiáng)度；（d）UNMx水凝膠不同溫度下的流變性質(zhì)；（e）UNMx/BAy水凝膠單軸壓縮應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線；（f）UNMx/BAy水凝膠拉伸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線；（g）UNMx/BAy水凝膠電導(dǎo)率；（h）1.4 W/cm2近紅外激光照射下溫升 - 時(shí)間曲線；（i）不同功率近紅外激光照射下UNM10/BA1溫升 - 時(shí)間曲線；（j）37℃熱收縮時(shí)水凝膠表面應(yīng)變；（k）45℃熱收縮時(shí)水凝膠表面應(yīng)變；（l）不同溫度下UNM10/BA1孔徑；（m）不同溫度下UNM10/BA1的代表性SEM圖像

（5）BTO@Au的聲壓電效應(yīng)及UNMX/BAy水凝膠的體外抗菌性能

如圖3 A和B，BTO@Au濃度增加，水凝膠敷料聲壓電抗菌率上升。UNM 10/BA 1和UNM 10/BA 2對(duì)MRSA和MDR E抗菌力超99.9%。

（6）聲壓電效應(yīng)介導(dǎo)的UNMX/BAy對(duì)HFB細(xì)胞和巨噬細(xì)胞行為的影響

添加UNM 10/BA 1水凝膠敷料時(shí)，0.3 W/cm2和0.5 W/cm2功率密度超聲可促進(jìn)細(xì)胞增殖，細(xì)胞活力分別達(dá)126%和135%（圖3C）。劃痕試驗(yàn)表明，在與UNM 10/BA 1水凝膠共培養(yǎng)下，0.3 W/cm2和0.5 W/cm2功率密度超聲具有較好的細(xì)胞遷移效果（圖3E）。定量分析顯示，0.5 W/cm2超聲處理使傷口閉合率達(dá)88%，顯著高于其他組（圖3D）。這表明UNM 10/BA 1水凝膠在0.5 W/cm2超聲功率密度下對(duì)細(xì)胞增殖和遷移的促進(jìn)作用最明顯。在無(wú)超聲處理時(shí)，UNM 10/BA 1抑制巨噬細(xì)胞向M1表型分化，促進(jìn)向M2表型分化，可能與其壓電效應(yīng)的優(yōu)異導(dǎo)電性有關(guān)（圖3F和G）。

圖3 UNMx/BAy的聲電效應(yīng)調(diào)節(jié)作用。（a、b）分別為水凝膠對(duì)MRSA和MDR E.coli的殺菌率，經(jīng)1.5 W/cm2超聲處理；（c）為外源超聲介導(dǎo)UNMx/BAy處理下的細(xì)胞活性；（d、e）為不同功率密度超聲介導(dǎo)水凝膠處理后24小時(shí)的傷口閉合比率及細(xì)胞劃痕代表性圖像；（f、g）為不同處理?xiàng)l件下M1型和M2型巨噬細(xì)胞的代表性圖像及相對(duì)表達(dá)水平

（7）UNMX/BAy通過(guò)聲壓電效應(yīng)促進(jìn)MRSA感染小鼠頸部傷口愈合

研究了小鼠傷口閉合情況。如圖4A，用組織活檢打孔器在小鼠頸部制造直徑8mm圓形全層皮膚缺損后進(jìn)行各種處理。總體上，UNM10組較空白組有治療效果，可能源于水凝膠敷料的密封性能及明膠組分促進(jìn)細(xì)胞粘附和增殖。其他四治療組中，UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US組傷口愈合效果顯著更強(qiáng)。如圖4C，第5、10、15天進(jìn)行傷口愈合率定量分析。第5天，UNM10/BA1組傷口愈合率（65%）顯著高于UNM10組（53%），可能因BTO@Au使水凝膠敷料導(dǎo)電性提高，利于生物信號(hào)傳遞，促進(jìn)細(xì)胞遷移。第5天收集傷口部位細(xì)菌計(jì)數(shù)，評(píng)估水凝膠敷料抗菌效果。如圖4D和S14，未經(jīng)超聲處理的UNM10和UNM10/BA1抗菌特性不顯著，MRSA殺滅率僅1.66%。超聲處理的UNM10/BA1+US組MRSA殺傷率超92%，表明聲壓電效應(yīng)可通過(guò)產(chǎn)生高水平ROS提供優(yōu)異抗菌效果。H&E染色和Masson三色染色進(jìn)一步評(píng)價(jià)傷口愈合。如圖4B中H&E染色圖像，第5天各組均未形成完整上皮組織，傷口愈合處于炎性階段，但UNM10/BA1+US、UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US組炎癥浸潤(rùn)少，炎性細(xì)胞顯著較少。第15天，空白組和UNM10組膠原密度顯著低于其他治療組。進(jìn)一步定量分析（圖4E）顯示，UNM10/BA1+US+NIR+C-US組相對(duì)膠原密度（238%）顯著高于其他組，對(duì)膠原沉積促進(jìn)最佳。第15天，空白組和UNM10組未完成上皮再形成，UNM10/BA1+US、UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US組形成完整光滑上皮組織，特別是UNM10/BA1+US+NIR+C-US組，發(fā)育相對(duì)成熟毛囊，表明新形成皮膚組織功能化更好。數(shù)據(jù)顯示，低功率超聲通過(guò)兩種協(xié)同機(jī)制促進(jìn)毛囊再生：BTO@Au產(chǎn)生的壓電場(chǎng)激活PI3K/AKT途徑（圖6D）；收縮水凝膠產(chǎn)生的機(jī)械刺激增強(qiáng)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，如整合素-FAK（圖6D）。

圖4. 大鼠頸部全層皮膚傷口的治療效果。（a）治療初期及第5、10、15天傷口的代表性圖像；（b）第5、10、15天傷口的H&E染色圖像及第15天的Masson三色染色圖像；（c）第5、10、15天傷口閉合比率；（d）第5天體內(nèi)抗菌比率；（e）第15天傷口處膠原密度

（8）不同治療組創(chuàng)面愈合過(guò)程中ROS、TNF-α和VEGF的體內(nèi)表達(dá)水平及血流灌注統(tǒng)計(jì)

通過(guò)體內(nèi)ROS染色評(píng)估水凝膠敷料對(duì)傷口炎癥的調(diào)節(jié)。如圖5A，第5天用DHE探針評(píng)估傷口組織ROS水平，漸進(jìn)式治療策略使體內(nèi)ROS水平降低，UNM10/BA1+US、UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US組紅色熒光顯著減弱，表明ROS水平顯著降低，圖5B定量分析也反映此趨勢(shì)。第5天（圖5A和C）和第10天通過(guò)免疫熒光分析TNF-α表達(dá)，第5天以空白組為對(duì)照，UNM10和UNM10/BA1組TNF-α相對(duì)表達(dá)水平均超75%，UNM10/BA1+US+NIR+C-US組TNF-α降低超90%，表明急性炎癥快速抑制。通過(guò)VEGF免疫熒光染色評(píng)價(jià)血管生成能力，如圖5A和D，與空白組100%和UNM10組115%相比，UNM10/BA1組VEGF相對(duì)表達(dá)增至190%，與壓電特性有關(guān)，微電場(chǎng)刺激調(diào)節(jié)生物信號(hào)傳輸，UNM10/BA1+US和UNM10/BA1+US+NIR組VEGF表達(dá)水平分別增至256%和268%，UNM10/BA1+US+NIR+C-US組VEGF表達(dá)達(dá)375%。如圖5E，激光散斑流成像系統(tǒng)計(jì)算的血液灌注值，UNM10/BA1+US、UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US組分別為1223PU、1331PU和1640PU，顯著高于空白組的638PU。

圖5. 傷口愈合過(guò)程中的關(guān)鍵指標(biāo)檢測(cè)。（a）第5天體內(nèi)ROS染色、TNF-α免疫熒光染色及激光多普勒成像代表性圖像，第15天VEGF免疫熒光染色圖像；（b）第5天體內(nèi)相對(duì)ROS含量；（c）第5天相對(duì)TNF-α表達(dá)水平；（d）第15天相對(duì)VEGF表達(dá)水平；（e）第5天傷口區(qū)域平均血流灌注值

（9）UNMX/BAy通過(guò)聲壓電效應(yīng)促進(jìn)MRSA感染小鼠頸部傷口愈合的機(jī)制研究

RNA測(cè)序分析揭示了UNM10/BA1水凝膠在超聲作用下促進(jìn)傷口愈合的機(jī)制。治療后第10天收集傷口組織樣本進(jìn)行RNA測(cè)序，以使用Tegaderm敷料的頸部傷口為對(duì)照。主成分分析（PCA）顯示對(duì)照組與UNM10/BA1+US+NIR+C-US處理組之間的轉(zhuǎn)錄組存在顯著差異（圖6A）?；鹕綀D表明，共鑒定出2535個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs），其中1250個(gè)上調(diào)，1285個(gè)下調(diào)（圖6B）。熱圖分析顯示了對(duì)照組和UNM10/BA1+US+NIR+C-US處理組傷口組織中差異基因的聚類情況（圖6C），水凝膠治療組顯著上調(diào)了與血管生成和傷口愈合相關(guān)的基因，包括Hif1α、Egf、Vegfd、Hgf和Spp1（圖6C）。KEGG通路分析顯示，UNM10/BA1+US+NIR+C-US處理組促進(jìn)了與心肌收縮、PI3K-Akt、焦點(diǎn)粘附、HIF-1和MAPK信號(hào)通路相關(guān)的基因富集（圖6D）?；虮倔w（GO）分析顯示，1259個(gè)上調(diào)基因集中在組織發(fā)育、表皮發(fā)育和上皮細(xì)胞分化的正向調(diào)控（圖6E）。Western blot分析測(cè)試了收縮水凝膠釋放的納米顆粒的聲電效應(yīng)是否通過(guò)激活FAK和AKT信號(hào)通路促進(jìn)慢性傷口愈合，從經(jīng)對(duì)照、UNM10+US和UNM10/BA1+US處理的HFB細(xì)胞中提取蛋白，分析p-FAK、PI3K、p-PI3K、AKT和p-AKT蛋白的表達(dá)水平（圖6F和G），結(jié)果顯示，僅當(dāng)水凝膠含有納米顆粒時(shí)，超聲處理顯著增加了細(xì)胞中p-FAK和p-AKT的表達(dá)（圖6F），而UNM10+US處理組的p-FAK和p-PI3K表達(dá)與對(duì)照組相比無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖6. 聲電效應(yīng)介導(dǎo)的水凝膠治療慢性感染傷口的RNA測(cè)序分析。（a）對(duì)照組與UNM10/BA1+US+NIR+C-US處理組間的轉(zhuǎn)錄組主成分分析（PCA）；（b）火山圖顯示上調(diào)和下調(diào)基因；（c）熱圖展示UNM10/BA1+US+NIR+C-US處理后差異表達(dá)基因的聚類分析；（d和e）KEGG和GO富集分析顯示上調(diào)基因的富集通路；（f）對(duì)照組、UNM10+US和UNM10/BA1+US處理組中HFB細(xì)胞的p-FAK和PI3K/AKT信號(hào)通路蛋白表達(dá)；（g）蛋白表達(dá)水平的定量分析