具有可定制生物功能的水响应自收缩丝基皮肤抗衰老张力器的研究

摘要 

皮肤抗衰老治疗正变得越来越受欢迎，目前主流的治疗方法包括在皮下植入皮肤张力调节线（皮肤提升线）和射频治疗。研究团队受蜘蛛丝自然超收缩的启发，在这项研究中将丝素蛋白纤维的分子结构调节为定向构型。这种改性赋予丝素蛋白具有水响应自收缩能力，从而有了创新的自收缩丝基皮肤张力器（SSSTs）的开发。为了符合临床要求，通过测试皮肤张力调节材料的自收缩、近红外激光加热功能和抗菌性能来对其进行功能化。SSSTs具有显著的自收缩性能、载药和缓释能力、显着的抗菌效果、可控降解和良好的生物相容性。此外，近红外光加热功能有效地提高了皮下温度，证明了其具有增强和延长皮肤提拉效果的潜力。因此，SSSTs可用于调节皮肤张力，以改善和延缓皮肤衰老。该研究结果可能为皮肤年轻化的新型策略铺平道路，并对皮肤抗衰老领域产生广泛影响。

一、SSSTs的设计和制造

SSSTs植入皮肤组织后，吸收皮肤组织下的血液或组织液以实现收缩，从而影响和收紧部分皮下筋膜，直接提拉松散的皮肤组织。SSSTs在收缩后会导致部分机械刺激，刺激成纤维细胞产生新的胶原纤维，从而实现胶原重塑、皮肤组织重排和中长期稳定提皮效果。参考射频（RF）技术在美容医学领域的应用原理，SSSTs的近红外光加热功能是利用金纳米棒材料的光热转换性能设计并实现的。利用丝素蛋白的易功能化能力，将氨苄西林钠负载在SSSTs上，实现SSSTs的缓慢药物释放和抗菌功能，达到抑制细菌和减少术后炎症反应的目的。图1b显示了SSSTs的制备过程。通过湿伸展操作实现自收缩功能。近红外激光加热和抗菌功能通过掺杂和表面涂层操作实现。

图1 SSSTs的设计和制造

二、SSSTs的机械性能、自收缩行为及其对SSSTs力学性能的影响

优异的机械性能是智能皮肤张力调节材料的关键先决条件。丝素蛋白是一种具有优越机械性能的天然生物材料。丝素蛋白材料的机械性能与其分子量分布密切相关，分子量分布可以通过调节脱胶时间来控制。实验结果显示脱胶时间为30分钟的丝素蛋白的杨氏模量达到最大值40MPa（湿态），表现出良好的力学性能和优异的延展性。因此，该研究选择脱胶时间为30分钟（M）的丝素蛋白溶液来制作SSSTs。衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）结果表明30M丝素蛋白表现出最高的结晶度和优异的机械强度。

丝素蛋白是一种天然聚合物，其空间构象主要由重链的氢键维持。当丝素蛋白浸入水中时，水分子渗透到丝素蛋白的无定形区域，破坏氢键，将分子链转化为无规卷曲结构。这种改变增加了丝素蛋白的可塑性。在这项研究中，将预取向的丝素蛋白材料保持在拉伸状态并干燥。干燥后，其分子链之间的氢键重新结合，使丝素蛋白在预拉伸状态下的分子结构稳定（图2a）。

如图2b所示，随着预拉伸的增加，二维广角X射线散射（2D-WAXS）图案的形状从同心环变为圆弧，这表明用外力预拉伸后获得的SSSTs的取向程度显著提高。收缩后SSSTs的定向程度显著降低。2D-WAXS结果验证了SSSTs的分子结构和自收缩性能之间的关系。

SSSTs的自收缩程度与其含水量密切相关。为了展示SSSTs的整体性能，该研究设计并构建了一个微电梯模型。结果表明，收缩过程中产生的收缩应力可以用作执行机械工作的微升降机。丝素蛋白材料的结构在预拉伸操作后会发生变化，从而改变其机械性能。通过测试丝素蛋白在预拉伸前后的力学性能，表明机械增强有了实质性改善（图2f）。

图2 SSSTs自收缩性质的描述

三、SSSTs的药物释放和抑菌能力、近红外光加热性能、生物降解和生物相容性

使用紫外分光光度法测定载药SSSTs的药物释放能力。以PBS为背景，使用不同浓度氨苄西林钠的吸光度的标准曲线计算释放的氨苄西林钠量。随着时间的推移，氨苄西林钠钠从氨苄西林钠包被的SSSTs中持续释放（图3a），这表明丝素蛋白的药物负载和持续释放特性，以及丝素蛋白作为持续药物释放载体材料的有前景和广泛的应用。

为了评估SSST的体外抑菌效果，该研究进行了体外抑菌实验。结果显示载药SSST产生的抑制区比对照丝素蛋白丝产生的抑制带大得多。表明载药SSSTs在体外具有显著的抗菌性能。将负载药物的SSSTs（SSSTs组）和对照线（对照组）植入SD大鼠的背部，并将等量的金黄色葡萄球菌注射到植入线的手术部位。感染图像和标准菌落形成单位（CFU）的统计结果表明，载药SSSTs可以显著杀死周围的细菌，减少术后感染。

最近，金纳米材料在医学的各个领域得到了广泛的应用。为了克服传统皮肤提拉线持久提拉效果有限的问题和当前射频治疗的缺点，本研究利用金纳米棒（AuNRs）的光热转换特性在SSSTs外层设计了一个近红外加热层。研究结果表明SSSTs的近红外光加热功能是通过将AuNR掺杂到丝蛋白溶液中并将其涂覆到丝素基线上来实现的。

丝素蛋白的降解是由蛋白酶引发的。因此，在本研究中，使用蛋白酶K在体外研究了自体丝素丝的降解性。降解时间-剩余质量曲线的结果（图S7（a））表明，随着时间的推移，降解增加，丝素蛋白线在其大分子链的任何位置都被切割。整体酶水解是由表面侵蚀引起的。通过比色法测定HRP的释放，这反映了丝素蛋白丝的降解。随着时间的推移，颜色发展增加，表明SSSTs显示出良好的可控降解性能。

良好的生物相容性是植入生物材料的先决条件。通过研究SSSTs对人皮肤成纤维细胞（HS27）和角质形成细胞（HaCaT）生长和增殖的影响，结果显示SSST组和对照组的细胞增殖或生长状态没有显著差异。因此，SSSTs表现出良好的生物相容性，表明其在体内的适用性。

图3 SSSTs的体外和体内性能

四、SSSTs对SD大鼠的治疗效果

图4c显示了SSSTs植入SD大鼠前后标记之间距离的变化，指示了植入部位。SSSTs植入前后标记之间的距离从3.0cm缩短到2.7cm，即缩短了10%。植入后即刻收缩效果显著。对植入部分的组织进行Masson三色染色、血管内皮生长因子（VEGF）染色和组织学分析。植入后第12周，SSSTs周围组织中的胶原蛋白含量显著增加。这些结果为SSST在皮肤张力调节中的应用提供了强有力的证据。图4e显示胶原蛋白含量和皮肤密度都随着植入后时间的延长而增加。SSSTs的植入导致新胶原蛋白的产生，近红外光加热进一步促进了新胶原蛋白的生产。

图4 SD大鼠SSSTs植入

结论

综上所述，研究团队开发了一种基于自收缩丝的皮肤张力调节智能材料。这种材料为增强皮肤张力、改善或延缓皮肤衰老提供了一种新的有效治疗方法。该研究结果可能对医学美学和整形外科有广泛的影响。同时，由于其优异的向心收缩性能，SSSTs在快速伤口愈合、术后皮肤张力降低以防止瘢痕形成以及小血管、神经和肌腱的无缝原位吻合方面具有广泛的应用前景。

原文链接：

http://doi.org/10.1002/adhm.202400671

（esilk.net声明：本网登载此文旨在传递更多行业资讯，文章内容仅供参考。）