【MOF药物缓释】工程表面适应性金属-有机框架装甲以促进感染伤口愈合

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摘要：
四川大学徐家壮&李忠明老师等报道的本篇文章（ACS Appl. Mater. Interfaces 2024）中开发了一种简便的异质界面工程策略，用于定制“MOF装甲”，该装甲能够适应性地武装聚己内酯电纺敷料，展现出优异的杀菌效果。通过亲水外延结晶增强界面润湿性，实现Cu2+的均匀沉积，从而在电纺敷料上生成致密的MOF层。该策略的普适性通过在不同形状的基材（纳米纤维、颗粒、板材和3D打印多孔支架）上构建不同种类的MOFs（HKUST-1、ZIF-8和ZIF-67）得到了验证。通过优化Cu2+载量，Cu-MOF装甲展现出持续的离子释放行为、强大的抗菌活性和良好的生物相容性。在体大鼠模型中，Cu-MOF装甲显著促进了感染伤口的愈合，通过抑制炎症因子、促进胶原沉积和血管生成。这种独特的MOF装甲为设计和制造先进的伤口敷料提供了一个有吸引力且有效的解决方案。

研究背景：
1）全球范围内，细菌性伤口感染是一个严重的公共卫生问题，对患者和医疗系统造成了巨大负担。传统的伤口敷料只能隔离，无法抵抗细菌入侵和清除。抗生素治疗虽有效，但对生物膜的效力有限，并存在抗生素抗性的风险。
2）已有研究尝试将MOFs整合到敷料中以治疗感染伤口，但这些预设计的MOFs敷料大多基于浆料混合制备，这不仅损害了敷料的机械性能，也阻碍了离子的释放。
3）本研究提出了一种新颖的界面工程策略，通过亲水外延结晶和离子预沉积激活电纺纤维的惰性表面，为MOFs的原位生长提供配位模板。通过控制Cu2+的装饰程度，制备的MOF装甲展现出持续的Cu2+释放和高细菌杀灭效率，以及良好的生物相容性。

实验部分：
1. MOF装甲伤口敷料的制备：
1) 将PCL溶解在HFIP中形成纺丝溶液，通过电纺技术制备伤口敷料，然后在45°C下干燥12小时并退火以增加结晶度。
2) 将敷料浸入含PEG-b-PCL的混合溶液中10分钟，然后在25°C下完全干燥以获得AWD。
3) 将AWD浸入K2CO3水溶液中30分钟，干燥后浸入不同浓度的Cu(NO3)2/乙醇溶液中12小时，以沉积Cu2+。
4) 将预沉积Cu2+的敷料浸入BTC的乙醇溶液中1小时，以在纤维上原位自组装Cu-MOFs，然后用无水乙醇洗涤并在25°C下干燥，得到MOF@AWD。
2. MOF装甲的表征：
1) 使用SEM和EDS对MOF@AWD的表面形貌和元素分布进行表征。
2) 使用FTIR、XPS和XRD对MOF@AWD的表面化学和晶体结构进行分析。
3. Cu2+释放行为测试：
1) 将MOF@AWD样品在PBS缓冲液中浸泡，并在不同时间点通过ICP-OES测定Cu2+浓度。

分析测试：
1. 样品形态学表征：使用FEI Nova NanoSEM450场发射扫描电子显微镜(SEM)检查MOF@AWD的表面形貌，直径分布见Figure S1。
2. 表面化学分析：使用Thermo Scientific Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和XSAM800 X射线光电子能谱仪(XPS)分析MOF@AWD的表面化学状态，见Figure S2。
3. 晶体结构分析：使用Rigaku Ultima IV X射线衍射仪(XRD)对MOF@AWD的晶体结构进行分析，结果显示与HKUST-1的特征衍射峰高度一致。
4. 比表面积和孔隙结构分析：使用Quantachrome Autosorb-iQ2-MP体积气体吸附分析仪在77 K下获得MOF@AWD的N2吸附-脱附等温线，比表面积计算结果为2500-2700 m²/g，孔径分布中心在1.0 nm、1.5 nm和2.3 nm。
5. Cu2+释放动力学：将MOF@AWD样品在PBS缓冲液中浸泡，通过ICP-OES测定不同时间点的Cu2+浓度，结果显示MOF@AWD在PBS中Cu2+释放行为呈持续缓慢释放，与MOF装甲中Cu2+的载量直接相关，见Figure S7。
6. 抗菌活性测试：使用平板计数法评估MOF@AWD对S. aureus和E. coli的抗菌效果，结果显示MOF@AWD对两种细菌均展现出优异的抗菌活性，抑制率可达99.99%。
7. 凝血性能测试：通过观察不同样品上的凝血情况，并使用UV spectrophotometer测量540 nm处的吸光度来定量凝血过程，MOF@AWD显示出良好的凝血性能。
8. 细胞相容性评估：使用CCK-8试剂盒评估HUVECs与MOF@AWD共培养后的增殖情况，结果显示MOF@AWD在0.05 M以下浓度时具有良好的生物相容性，细胞活性大于80%。
9. 细胞迁移实验：通过划痕实验评估MOF@AWD对HUVECs细胞迁移活性的影响，MOF@AWD在0.05 M浓度下促进了HUVECs的迁移。
10. 在体感染伤口愈合评估：使用SD大鼠模型评估MOF@AWD的感染伤口愈合能力，结果显示MOF@AWD处理的伤口愈合速度明显加快，且在第14天时几乎完全愈合。

总结：
本文成功开发了一种表面适应性“MOF装甲”，通过亲水外延结晶和离子预沉积策略，在电纺敷料上原位生长Cu-MOFs，实现了对Cu2+释放的优化，赋予了敷料优异的抗菌性能和良好的生物相容性。在体大鼠模型中，Cu-MOF装甲显著促进了感染伤口的愈合，通过抑制炎症因子、促进胶原沉积和血管生成。这种MOF装甲的设计方法为制造先进的抗菌伤口敷料提供了新的可能性。

展望：
本研究的积极影响在于提供了一种新的伤口敷料设计策略，能够有效促进感染伤口的愈合。未来的研究可以进一步探索不同种类的MOFs和金属离子对伤口愈合的影响，以及MOF装甲在其他生物医学应用中的潜力。此外，还可以研究MOF装甲的长期稳定性和生物降解性，以及其在临床应用中的有效性和安全性。

Engineering Surface-Adaptive Metal−Organic Framework Armor to Promote Infected Wound Healing
文章作者：Jia-Cheng Lv, Xue Yang, Zi-Li Zheng, Zhi-Guo Wang, Rui Hong, Yao Liu, En Luo, Ju-Xiang Gou, Lingli Li, Bo Yuan, Jia-Zhuang Xu,* and Zhong-Ming Li*
DOI：10.1021/acsami.4c20219
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c20219

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