《Carbohydr. Polym.》南林大夏常磊/赖晨欢、同济大学赖永贤：高拉伸自粘纤维素/壳聚糖水凝胶伤口敷料！

研究背景

水凝胶因其优异的柔韧性和生物相容性在皮肤再生与伤口护理领域显示出广阔前景，但传统水凝胶普遍存在机械强度不足和粘附性能差的问题，限制了其实际应用。纤维素作为自然界中含量丰富、成本低廉且可持续的生物聚合物，具备高模量、良好生物相容性和可降解性，其表面大量羟基可形成氢键，赋予材料良好粘附性。然而，天然纤维素水溶性差，难以直接用于水凝胶制备，且单一网络结构的纤维素水凝胶通常脆性高、易断裂，无法满足伤口敷料对力学性能和可靠性的要求，因此，开发一种兼具优异力学性能、可靠粘附性、生物安全性及功能化药物载释能力的新型水凝胶，成为推动伤口敷料技术发展的关键研究方向。

文章概述

南京林业大学夏常磊教授团队、赖晨欢教授团队和同济大学医学院附属上海皮肤病医院赖永贤副主任专家团队设计了一种由纤维素二醛（DAC）、羧甲基壳聚糖（CMCS）和聚丙烯酰胺（PAM）构成的双网络水凝胶。其创新性地结合了通过希夫碱反应形成的动态共价键和通过自由基聚合形成的稳固共价键两种网络。这种结构使水凝胶兼具卓越的力学性能（高拉伸性（>1400 %）、强度（>400 kPa）与韧性（>2900 kJ m−3）和良好的皮肤自粘附性（2.7 kPa），同时具备优异的生物相容性，能在小鼠模型中显著加速伤口愈合，从而成为解决当前水凝胶敷料力学与粘附性不足问题的有力候选材料。

图文导读

1.DCP-GPS水凝胶的制备

该研究成功构建了一种基于DAC和CMCS的双网络水凝胶，并通过自由基聚合引入PAM作为第二网络，形成具有动态共价键和共价交联的双重结构。该水凝胶不仅具备优异的机械性能（1432%的拉伸应变、402.37 kPa的拉伸应力和2958.44 kJ/m³的韧性），还展现出良好的生物相容性（细胞存活率>97%），并能通过负载药物龙胆苦苷（GPS）有效促进伤口愈合，显示出在伤口敷料领域的广阔应用前景。

图1 （a）DCP-GPS水凝胶合成示意图。（b）双网载药水凝胶作为伤口敷料的应用。（c） 这项工作与以前的研究的比较

2.DCP-GPS水凝胶的合成和表征

通过傅里叶变换红外光谱、固态13C核磁共振、X射线衍射和X射线光电子能谱等多种表征手段，证实了微晶纤维素（MCC）经高碘酸钠氧化成功转化为DAC，其醛基含量为9.02 mmol/g，氧化度达76.75%。DAC与CMCS通过席夫碱反应迅速形成凝胶，XPS和FT-IR进一步验证了C=N键的生成。随后在紫外光引发下，丙烯酰胺聚合形成第二网络，SEM图像显示双网络水凝胶（DCP-3）具有更致密、均匀的三维多孔结构，显著优于单一PAM水凝胶。

图2 (a) MCC、DAC、CMCS及DAC+CMCS的傅里叶变换红外光谱。(b) MCC与DAC的固态13C核磁共振谱图。(c) MCC与DAC的差示扫描量热法（XRD）谱图。(d) DAC+CMCS溶胶-凝胶转变过程的显微图像。(e) DAC+CMCS的储能模量（G‘）与损耗模量（G″）。(f) DAC与DAC+CMCS的差示扫描量热（XPS）谱图。(g) AM与DCP-3水凝胶的傅里叶变换红外光谱。(h) PAM水凝胶的扫描电镜（SEM）图像。(i) DCP-3水凝胶的扫描电镜（SEM）图像。

3.DCP-GPS水凝胶的力学性能

DCP-3-GPS水凝胶表现出卓越的力学性能，尤其在CMCS浓度为3 wt%时，拉伸应变和应力分别达到1432.48%和402.37 kPa，韧性为2958.44 kJ m-3，远优于纯PAM水凝胶。循环拉伸测试显示其具有良好的能量耗散能力和弹性恢复率（最高达89.95%），表明双网络结构有效提升了材料的耐久性与回弹性。此外，该水凝胶还能实现药物的缓释释放，36小时内持续释放GPS，优于PAM的12小时快速释放，有利于维持稳定的药物浓度。

图3 （a）DCP-3-GPS水凝胶的扭曲、拉伸和打结。（b）不同CMCS浓度制备的DCP-GPS水凝胶的拉伸试验。（c）DCP-GPS水凝胶的韧性。（d）用不同交联剂（BAC）浓度制备的DCP-3-GPS水凝胶的拉伸试验。（e）DCP-3-GPS水凝胶的加载-卸载曲线，应变从50%增加到500%。（f）DCP-3-GPS水凝胶在应变从50%增加到500%时计算的韧性和耗散能。（g） DCP-3-GPS水凝胶与150%应变的多周期拉伸试验。（h）计算DCP-3-GPS水凝胶的韧性、耗散能和弹性恢复。（i）DCP-3-GPS和PAM-GPS在37 °C下橙苦苷（GPS）的累积释放。

4.DCP-GPS水凝胶的粘合剂

DCP-3-GPS水凝胶对多种基质（如纸张、玻璃、金属和猪皮）均表现出良好的粘附性，其中对猪皮的粘附强度为2.70 kPa。其粘附机制主要源于DAC和CMCS中大量极性基团（如-OH、-COOH、-NH₂）与基质间的氢键作用，以及席夫碱键的增强效应。接触角测试显示DCP-3-GPS具有更强的亲水性，有利于界面润湿与粘附。此外，水凝胶在重复使用、不同温度、pH环境和长时间测试中仍能保持较好的粘附性能，显示出良好的环境适应性和稳定性。

图4 DCP-3-GPS水凝胶的粘合性能。（a）描述DCP-3-GPS水凝胶粘附在各种基材上的图像。（b）DCP-3-GPS水凝胶对玻璃的粘合强度-位移曲线。（c）不同比例的DCP-GPS水凝胶和PAM在各种基材上的粘合强度。（d）DCP-3-GPS水凝胶与玻璃的可重复粘附。（e）DCP-3-GPS水凝胶在不同温度下对玻璃的搭接剪切强度。（f）DCP-3-GPS水凝胶在玻璃上的长期附着力试验。（g）DCP-3-GPS水凝胶浸入酸性和碱性溶液后的附着力测试。

5.DCP-GPS水凝胶生物相容性和体内伤口愈合测定

细胞毒性实验表明，DCP-3和DCP-3-GPS水凝胶均具有优异的生物相容性，细胞存活率超过90%。在小鼠全层皮肤缺损模型中，DCP-3-GPS组在第7天伤口愈合率即达62.86%，显著高于对照组和未载药组，第14天愈合率接近100%。组织学分析（H&E和Masson染色）进一步证实DCP-3-GPS能有效促进表皮再生和胶原沉积，缩短愈合时间。这些结果凸显了该水凝胶在促进皮肤再生与伤口闭合方面的潜力。

图5 （a） 水凝胶的生物相容性。（a）用DCP-3和DCP-3-GPS处理24小时的MSF细胞的细胞活力。（b）通过活染色和死染色（bar = 100μm）检测细胞活力。

图6 DCP-3-GPS水凝胶促进小鼠伤口愈合。（a）小鼠伤口的代表性图像。（b） 模拟伤口大小。（c）伤口面积统计分析（*p < 0.05;**p < 0.01;和 ***p < 0.001，n = 5）。（d）在治疗后第10天对5组小鼠的伤口皮肤组织进行H&E染色和Masson染色（bar = 100 μm）。

结论

该研究成功开发了一种基于纤维素/壳聚糖的双网络水凝胶，具有优异的拉伸性、高强度、高韧性和良好的自粘附性。该水凝胶通过动态席夫碱反应和自由基聚合构建双重网络结构，兼具能量耗散与结构稳定性，同时具备良好的生物相容性与药物缓释能力。

创新点

该研究通过构建由动态希夫碱键和共价交联组成的双网络结构，成功制备出兼具高机械强度、自粘附性和生物相容性的纤维素/壳聚糖基水凝胶，用于促进伤口愈合。

启发

双网络结构的水凝胶通过动态共价键与共价键协同作用，实现了高强度、自粘附与生物相容性的统一，为智能伤口敷料设计提供了新思路。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.12386

来源：Go Cellulose