針對上述問題，蘇州大學嚴鋒教授團隊從緩解缺氧和抗感染兩方面出發，構建了負載小球藻的聚離子液體微針(PILMN-Chl)，用于對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染的糖尿病慢性創面進行微針釋氧和抗菌的治療。PILMN-Chl由于負載小球藻，光照下進行了光合作用，可以穩定持續產氧30h以上。通過結合微針的屏障穿透能力、小球藻持續充足的供氧能力和PIL的殺菌活性，PILMN-Chl可以通過局部靶向殺菌和傷口深處的乏氧緩解，來加速體內慢性糖尿病傷口的生長。因此，自身氧氣產生的微針可能為治療慢性、缺氧和感染的糖尿病創面提供一種有前途的、簡便的治療策略。圖1.小球藻負載PIL基微針(PILMN-Ch1)的合成示意圖。PILMN-Chl可通過光合作用持續向創面提供充足的氧氣，并通過PIL發揮殺菌作用，促進創面愈合。 圖1展示了PILMN-Chl的合成和應用。在紫外光照射下，單體與小球藻進行光交聯，制得PILMN-Chl。微針上裝有光合作用的小球藻，能夠通過光合作用持續穩定地產生氧氣。這種創新的方法促進了產生的氧氣直接輸送到傷口，有效地解決了經皮氧氣輸送的挑戰。由此產生的PILMN-Chl不斷產生氧氣并將氧氣輸送到傷口部位，并通過與膜損傷相關的殺菌機制殺滅細菌，從而緩解慢性糖尿病傷口的缺氧和促進傷口愈合。圖2. a)觀察逐漸放大的PILMN-Chl。b)PILMN-Chl的掃描電子顯微鏡圖像和c)用EDS表征的PILMN-Chl中相應的元素圖。d)PILMN-Chl的溶脹率。e)PILMN和PILMN-Chl在30℃時的失水率。f)PILMN和PILMN-Chl在不同頻率掃描下37℃時的儲能模量和損耗模量。g)PILMN-Chl的壓縮應力應變曲線。在50%壓縮應變下出現的壓縮曲線。h)PILMN和PILMN-Chl的拉伸應力-應變曲線。i)記錄了PILMN和PILMN-Chl在穿透六層封口膜過程中的力-位移曲線。j)陽離子桃紅FG標記的PILMN的圖像和插入染色針尖后留在皮膚內的相應針孔。k)活體小鼠皮膚表面的PILMN-Chl圖像。去除PILMN-Chl后，皮膚內的壓痕在10分鐘內迅速恢復。 研究者對微針進行了測試與表征，首先對微針的物理性能進行了表征，證明了微針的力學性能的滿足要求，特別是透皮方面的性能(圖2)。接下來是釋氧及抗菌性能的探究。在產氧方面，通過紫外及熒光等測試證明了小球藻在微針上的存活及產氧性能(圖3)。圖四是通過涂板法、活死染色及SEM，從多方面證明了PILMN-Chl的抗菌性能，并且對其破壞細菌細胞膜的機理進行了研究，表明該微針具有光譜的殺菌性。圖3. a)不同濃度的小球藻懸濁液的UV-Vis光譜。b)對應的不同吸光度和濃度下的小球藻懸濁液的標準曲線。c)不同濃度的小球藻在光照(5500 lux)下產生的溶解氧。d)不同時間(0h、6h、12h、24h)提取的PILMN-Chl中葉綠素的OD值和e)UV-Vis光譜。f)PILMN-Chl在光的照射下在PBS中產生的溶解氧。g)氧探針[Ru(dpp)3]Cl2在不同處理后的MRSA菌液中的熒光光譜。以PBS處理的細菌作為對照組。h)用[Ru(dpp)3]Cl2染色的MRSA細菌經不同處理后的熒光圖像。圖4.a) MRSA, b) S. aureus and c) E. coli經不同處理后的相對細菌存活率。b)與PILMN或PILMN-Chl共培養4h后，MRSA的熒光染色和掃描電子顯微鏡圖像。e)通過DPH的熒光光譜來分析MRSA細胞膜的流動性。f)通過CFDA-SE的熒光光譜來分析不同處理后MRSA的細胞膜滲透性。g)PILMN和PILMN-Chl處理的MRSA的Zeta電位。 生物材料的生物相容性是影響其在體內實際應用的關鍵因素。因此，研究者們通過溶血和細胞毒性實驗評價了PILMN和PILMN-Chl的生物相容性。同時，由于氧氣的產生可以促進細胞的增殖和遷移，并且小球藻可以產生抗炎的物質。基于這些優異的體外測試數據，如體外抗菌活性、產氧活性、良好的生物相容性、使用方便和無痛特性，研究者進一步評價其對體內MRSA感染的糖尿病創面的治療效果，并進行了切片染色，進一步研究分析其在糖尿病傷口處的應用潛力。圖5.a)PILMN和PILMN-Chl與紅細胞孵育4h后的紅細胞溶血活性，分別以PBS或Triton X-100處理的紅細胞為陰性對照和陽性對照。b)PILMN和PILMN-Chl處理的L929細胞24h后的細胞存活率，并以PBS處理的L929細胞為對照組。c)不同處理的L929細胞24h增殖圖像。d)L929細胞遷移的圖像。PILMN和PILMN-Chl對LPS誘導的RAW 264.7細胞炎癥反應的影響。用酶聯免疫試劑盒檢測促炎細胞因子IL-6和IL-1β的釋放。圖6. a)活體研究流程圖。b)傷口閉合9天的圖像。c)相應的傷口大小圖和d)傷口愈合過程中傷口面積的定量統計分析。e)對治療后第5天小鼠傷口組織中分離的細菌菌落進行統計分析。用試劑盒檢測IL-6和g)IL-1β的釋放。 該研究展示了一種雙管齊下治療糖尿病創面耐藥細菌感染、消除細菌和緩解缺氧的綜合療法。該微針給藥系統兼具抗菌和產氧功能，有望成為動物和人類慢性創面感染治療策略的候選材料，在相關生物醫學領域具有廣闊的應用前景。相關成果以“Chlorella-Loaded Antibacterial Microneedles for Microacupuncture Oxygen Therapy of Diabetic Bacterial Infected Wounds"為題發表于《Advanced Materials》上。文章的第一作者為蘇州大學碩士研究生高淑娜，通訊作者為郭江娜副教授和嚴鋒教授。
更新時間：2024-05-24
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