生物陶瓷为创面愈合提供了很有前途的策略，但现有的产品仍未得到满足，尤其是在皮肤附件再生方面。在此，香港中文大学秦岭/许建坤&上海师范大学宁聪琴提出了将无机硅酸镁喷雾(MSS)作为矿物因子来克服存在的挑战。结果表明，无有机溶剂、无模板剂、无焙烧、无有害副产物的绿色合成方法是合成MSS的有效途径。MSS具有无定形、纳米级和高比表面积，具有更好的pH响应降解性和良好的细胞增殖和迁移生物活性。在大鼠中，海参皂苷通过调节诱导型一氧化氮合酶和IL-10的表达来减轻炎症，上调CD31和α-SMA的表达以促进血管形成，促进胶原沉积而不发生异位钙化，从而显示出剂量依赖的促进烧伤创面修复的作用。释放的镁和硅离子协同增强GAP43、TUBB3和K19的表达，提示周围神经和毛囊的再生。通过在大鼠和小型猪身上与商用产品Dermlin®和45S5 Bioglass®进行比较，进一步验证了这些优越的功能。在这些发现的激励下，针对特定的场景，设计了三种基于MSS的创可贴、粘合剂水凝胶和抗菌喷雾剂。综上所述，这项概念验证研究为未来临床皮肤伤口修复和功能附件再生提供了一种有前景的生物活性矿物。该研究以题为“Green-Prepared Magnesium Silicate Sprays Enhance the Repair of Burn-Skin Wound and Appendages Regeneration in Rats and Minipigs”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
该研究采用了一种高效的微波辅助方法来合成无机MSS，并对合成温度、乙醇含量等因素进行了详细的探索。然后，对烧伤创面修复中的再上皮化、新生血管、胶原沉积、周围神经和毛囊再生等方面的降解性和生物学效应进行了深入的研究。通过整体RNA测序对其内在机制进行了探讨。为了说明其潜在的优势，选择了两种常用的商用产品德姆林和45S5生物玻璃，并与MSS在大鼠和小型猪身上进行了比较。最后，根据不同的适应症，开发了基于MSS的创可贴、粘附性水凝胶和抗菌喷雾剂的三种配方(方案1)。
方案1. 硅酸镁喷雾剂用于烧伤创面修复和附属物再生的材料制备过程和机理，涉及减轻炎症、促进血管形成、周围神经和毛囊
【绿色制备MSS的合成与表征】
通过微波辅助溶剂热反应合成硅酸镁，然后制备干粉末用于制造喷雾剂。在此过程中，分别选择Na2SiO3和MgCl2溶液作为Si和Mg的来源。扫描电子显微镜(SEM)结果显示，水溶液下合成的颗粒均匀，具有分层结构，与90%醇组相比，由更小的片层组装而成，与透射电子显微镜(TEM)的结果一致。没有任何可辨别的晶体结构的扩散环表明合成的颗粒或片层是非晶相。然而，制备的颗粒在90%酒精中杂乱地呈现出不同的形状，在黄色圆圈内显示出独特的棒状颗粒。
图 1. MSS的合成和表征
【MSS体外pH响应性降解和生物相容性】
使用不同pH(8.5、7.4、6.0或4.5)的磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液来模拟酸性健康皮肤(pH：4.2-5.6)和慢性伤口愈合过程中不均匀的pH环境(pH：4.0-9.0)。在中性(pH = 7.4)和碱性(pH = 8.5)条件下，硅酸镁片层边界处出现一些细小的裂纹碎片，而在酸性条件(pH = 6.0和4.5)。蚀刻或与酸反应产生的孔表明MSS的加速降解。从统计结果来看，在3周内，MSS随着时间的推移逐渐降解，并且在pH值较低的溶液中降解得更快。MSS的降解是pH响应性的，酸性越强，降解越快。在1/16-1/4稀释度的提取物培养下，MSS明显促进成纤维细胞(Hs27)和血管内皮细胞(EA.hy926)的增殖。在Mg2+、SiO32−或MSS提取物处理下，神经元表现出更长的轴突。上述体外研究结果表明MSS具有优异的生物相容性并对细胞增殖和迁移具有积极作用。
图2. MSS在体外的降解和细胞相容性
【MSS对大鼠烧伤皮肤创面修复的剂量影响】
MSS对大鼠烧伤皮肤伤口修复的剂量效应建立烧伤模型来评估MSS喷雾剂的治疗效果。在初始时间点，喷雾剂很好地附着在伤口区域并吸收渗出物以创造干燥的环境。在7 dpw时，所有MSS组的闭合率均显着高于对照组，尤其是MSS-10组。从炎症、上皮化、增殖到重塑的平稳过渡对于伤口愈合至关重要。首先，MSS抑制促炎因子iNOS的表达，特别是在 MSS-10/−20剂量下。此外，MSS对IL10的表达表现出剂量依赖性效应，与对照组相比，表达增加。接下来，在MSS-10组中发现上皮细胞标志物K10的表达较高，表明较高剂量的MSS可以有效促进皮肤上皮化。MSS 组不仅表现出更高的胶原蛋白水平，而且还表现出组织良好的模式。这些结果表明，当剂量达到10 mg−1时，MSS可以有效加速伤口修复，MSS可以成为无异位钙化的烧伤皮肤伤口修复的有前途的候选者。
图3. MSS调节大鼠烧伤皮肤创面修复的整个过程
【大鼠烧伤创面修复的皮肤附属物再生】
对于周围神经，在14和21dpw时，MSS治疗组中Gap43和Tubb3的表达均显着高于对照组。代表性的IF图像表明，在MSS治疗组中可以观察到大量的绳状神经纤维束，特别是在 21 dpw时。除了Gap43和Tubb3的表达较高外，其他周围神经相关生物标志物，如神经元核(Neun)、神经营养蛋白受体P75和降钙素基因相关肽(Cgrp)，在MSS治疗组中也显着高于对照组。结果表明MSS可以显着促进皮肤附属器再生。
图 4. 大鼠烧伤伤口模型中的皮肤附属物再生
【MSS治疗大鼠烧伤创面愈合的病理改变】
为了深入了解MSS对烧伤创面愈合的机制，该研究在术后7天和14天对对照组和MSS组进行了批量RNA测序 (RNA-seq)。具体而言，伤后第7天，MSS组抗炎相关基因的mRNA 表达量高于对照组，而促炎相关基因下调。此外，MSS组中与伤口愈合相关的基因的表达在14 dpw时增加。此外，毛囊和神经的基因也因MSS而增加。相比之下，与骨化相关的基因在14 dpw时被MSS减少。术后14周的GO分析显示，MSS治疗改善了 ATP、脂肪酸、脂质代谢过程和毛囊发育，同时抑制了基质和胶原纤维组织、吞噬作用、肿瘤坏死因子产生和骨成熟过程中涉及的骨化过程。这些结果表明，MSS通过将炎症反应转向抗炎表型并增强与伤口愈合和肢体再生相关的基因表达来加速烧伤伤口愈合。
图 5. 基于Bulk-RNA测序的机制研究
【MSS与大鼠商业产品的比较】
根据既往文献选择市售产品Dermlin和45S5生物玻璃作为阳性对照组。结果表明，MSS治疗组的愈合率显着高于45S5治疗组，并且在7 dpw时，上述两组的愈合率均显着高于对照组或DML治疗组。至于上皮再形成，45S5和MSS治疗组，特别是MSS治疗组，在14 dpw时表现出比对照组和DML治疗组更大的表皮厚度。此外，还对周围神经和毛囊的血管和附属物进行了表征。尽管所有治疗组在两个时间点都比对照组表现出对血管生成的促进作用，但MSS治疗组在21 dpw后期显示出比DML治疗组显着的优势。作为新生儿毛囊的标志物，K19的表达水平在对照组和商业产品处理组中没有显示出差异，然而，MSS处理的组织表现出明显高于其他组织的表达水平，并且Gap43和Tubb3的趋势也显示出来。并且只有MSS治疗组表现出丰富的索状周围神经。这些结果表明MSS优于商业产品，特别是在附肢再生方面。
图 6. MSS和商业产品对大鼠烧伤创面修复和附属物再生的影响比较
【MSS和商业产品对小型猪的影响】
考虑到猪与人的皮肤结构和伤口修复机制相似，采用巴马小型猪模型进行临床前评价。结果显示，新生组织从伤口底部和边缘逐渐生长，并在24 dpw时完全恢复。代表性H&E染色图表明，45S5和MSS处理组在10 dpw时比对照组和DML处理组具有先进的表皮再上皮化。但对照组中段仍断开，伤口深度较深。Masson三色染色还表明，MSS组在两个时间点都产生了更加坚固和对齐的胶原纤维束。在24 dpw时，对照组和两种商业产品组的炎症因子表达仍然相对较高，而MSS处理的伤口中炎症因子的表达已经下调。同样，MSS组中MMP1、MMP9和MMP12的表达也下降，表明胶原纤维成熟。然而，在MSS组中，大多数与血管生成、神经和毛囊相关的基因仍处于相对活跃的状态，表明修复和再生过程正在进行。
图 7. 小型猪MSS和商业产品对烧伤创面修复和附属物再生的影响比较
【MSS应用场景及配方演示】
鉴于敷料的配方是后期临床应用中值得考虑的另一个方面，针对特定场景设计了具有前景的生物活性矿物质因子MSS的三种代表性配方。首先，将MSS掺入PLLA-PCL纤维膜中，通过静电纺丝制作创可贴。CD31 IF染色和CCK-8检测显示，在10 wt.% MSS范围内，PLLA-PCLMSS贴片有效促进EA.hy926细胞的增殖。其次，对于关节伤口，最好使用粘性水凝胶，以防止敷料脱落。在此，PEG-NHS、溶菌酶和MSS用于基于酰胺反应制备粘合水凝胶。MSS的引入将创造一个碱性环境，以增强反应过程和粘附能力，并在20wt.% MSS内改善EA.hy926细胞的贴壁和增殖。第三，采用MSS作为载体加载天然抗菌肽ε-聚赖氨酸(EPL)，以表现出对感染性伤口的抗菌性能。由于MSS的高比表面积和负zeta电位，EPL可以通过静电相互作用有效承载。抗菌实验表明，随着EPL的增加，复合喷雾剂对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌显示出更强的功效。
图 8. 所证明的复合材料的方案、制备和体外评估由MSS组成
【小结】
该研究提出了一种新型含镁敷料，以促进烧伤创面修复和肢体再生。采用绿色策略合成的高度降解的无机硅酸镁喷雾剂，可有效减轻炎症，加速上皮再形成、新生血管形成和胶原沉积，加快伤口闭合速度。此外，MSS处理的伤口中与骨化相关的基因也受到抑制，以防止异位钙化。同时，该喷雾剂还通过促进Gap43、Tubb3和K19的表达，显着激活周围神经和毛囊再生，与同类商业产品Dermlin和45S5生物玻璃在大鼠和小型猪中表现出明显的优势。总而言之，这项研究提供了一种有前途的生物活性含镁产品，不仅可以实现伤口修复，还可以实现肢体再生，揭示了临床的巨大转化潜力。
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原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202307439
来源：BioMed科技
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