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皮肤创面管理是目前全球卫生保健系统面临的一个重大挑战。因创面易受到病原菌感染，商用敷料（例如纱布、绷带、创可贴等）不能很好地满足伤口修复过程中的特殊需求。
随着生物医学与材料学科交叉研究的深入，多种形式的创面敷料如橡胶、电纺纳米纤维、生物相容性膜、多孔泡沫、水凝胶等被研发，以期解决修复过程中遇到的难题，其中具有三维交联网络结构的功能性水凝胶因其柔软的稠度、高孔隙率、良好的生物相容性和韧性等特点备受关注。尽管水凝胶可作为保护伤口免受细菌感染的物理屏障，但仍需要与其他杀菌剂结合使用以发挥更好的抗菌效果，其中最常见的策略是将抗生素药物引入水凝胶中。然而，抗生素类药物的滥用导致耐药菌的出现，可能导致治疗失败，对生命和健康造成更严重的威胁。因此，迫切需要开发一种具有内在抗菌能力的水凝胶敷料。
光热疗法（PTT）由于其无创性、远程可控性、良好的生物相容性和深层组织穿透性等优点，在杀菌应用中受到了极大的关注。天然多酚（如多巴胺、单宁酸TA、表没食子儿茶素等）可以与金属离子（如Fe 3+）螯合性成纳米粒子，具有近红外光吸收和光热转换特性，成为PTT抗菌治疗的理想选择。虽然掺杂多酚/铁离子复合物的水凝胶敷料在感染性伤口的治疗中表现出良好的潜力，但由于缺乏足够的柔韧性和可恢复性，人体的正常运动和局部压力可能会破坏伤口敷料并使其失去作用。因此，需要赋予水凝胶系统足够的机械强度和自愈能力。
基于此，湖南师范大学生命科学学院何定庚教授设计并制备了一种具有抗菌、粘合和自愈的壳聚糖复合水凝胶，用于感染性创面的治疗。如示意图所示，首先将Fe3+与单宁酸TA螯合自组装形成具有高效光热作用的纳米粒子TFe NPs，然后将其搭载到由丙烯酰胺（AM）、3-丙烯酰胺基苯基硼酸（AAPBA）和壳聚糖（CS）交联的水凝胶中，得到的复合水凝胶PBAM/CS/TFe具有大量游离的儿茶酚、苯硼酸、胺和羟基，并含有多个氢键、硼酸酯键等可逆和动态键，因此具有优良的力学性能、快速的自愈能力和理想的组织-粘合性能，并且可以反复拉伸。得益于TFe NPs的高光热转换效率，水凝胶对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌表现出优异的抗菌活性。此外，TFe NPs还赋予水凝胶良好的抗氧化活性、抗炎特性和促细胞增殖能力，从而促进皮肤组织再生。本研究提供了一种理想的伤口敷料，在促进感染性创面愈合方面具有良好的应用前景。相关研究成果以“Ultrastretchable, Self-Healable, and Tissue-Adhesive Hydrogel Dressings Involving Nanoscale Tannic Acid/Ferric Ion Complexes for Combating Bacterial Infection and Promoting Wound Healing”为题于2022年9月16日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
示意图 复合水凝胶PBAM/CS/TFe的合成与应用
1. TFe NPs的合成及表征
作者首先通过室温搅拌法合成TFe NPs，通过调整TA与Fe3+的摩尔比选择具有最佳性能的纳米粒子。当TA：Fe3+摩尔比为1:1 时，TFe NPs 的光热性能最好，因此选择摩尔比为1:1的TFe NPs用作后续实验。TEM结果可以看出TFe NPs粒径约为70 nm，呈表面粗糙的球形结构，且表现出浓度依赖的光热特性，当TFe NPs浓度为0.2 mg/mL时，溶液的最高温度达到近50 ℃，能够有效杀伤细菌，而高于50 ℃可能导致动物细胞受损和体内严重炎症，因此选择0.2 mg/mL 作为治疗细菌感染的合适浓度。此外，TFe NPs具有良好的光热稳定性，其光热转换效率约为 45.9%。以上结果表明，TFe NPs成功合成，且表现出优良的光热性能，具有作为光热材料用于抗菌治疗的潜力（图1）。
图1 TFe NPs的表征
2. PBAM/CS/TFe 水凝胶的制备及力学性能表征
接下来作者合成了PBAM/CS/TFe复合水凝胶，SEM结果表明该复合水凝胶呈粗糙的网状骨架，周围环绕着各种大小的圆形或椭圆形孔隙结构，嵌入了许多TFe NPs。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表明PBAM/CS/TFe水凝胶成功合成，且能通过释放TFe NPs表现出良好的光热性能。
由于身体运动伤口组织会不断变形，因此机械性能（如韧性、可恢复性、可变形性、抗疲劳性等）对于伤口敷料很重要。接下来作者探究了复合水凝胶的机械性能，结果表明圆柱形PBAM/CS/TFe水凝胶在压缩后可以立即恢复到原始状态而没有任何损坏，说明水凝胶具有高回弹性；压缩实验表明PBAM/CS/TFe在 50%应变下的压缩强度为49.4 kPa，5次重复压缩（50%应变）后强度基本无损失，说明水凝胶具有良好的抗疲劳特性；拉伸测试表明水凝胶具有出色的拉伸性，可承受超过15次拉伸而不会断裂；通过连续拉伸研究水凝胶的自恢复和抗疲劳特性，结果显示在5个拉伸循环后，水凝胶没有明显的形状损失和强度损失。以上结果共同表明PBAM/CS/TFe水凝胶成功合成，且具有良好的耐受性、抗疲劳性能和机械性能（图2）。
图2 PBAM/CS/TFe 水凝胶的力学性能表征
3. PBAM/CS/TFe 水凝胶的自修复和粘附性能
除了机械性能外，水凝胶伤口敷料的自愈性能和组织粘附性能对于生物医学应用也至关重要。将一块PBAM/CS/TFe水凝胶贴在作者的手指上，然后切成两个独立的部分以模拟水凝胶敷料的破裂，结果只需将手指伸直即可接触并恢复这两个部分。自愈合水凝胶可以承受连续的弯曲变形，具有良好的实用性。此外，将PBAM/CS/TFe水凝胶切成两部分，然后放在一起，结果表明随着接触时间的增加，拉伸应力和伸长率都有所提高。
由于存在丰富的儿茶酚基团、苯硼酸、胺和羟基，PBAM/CS/TFe 水凝胶有望对多种基材具有强粘合能力。作者探究了PBAM/CS/TFe水凝胶对猪皮肤组织、猪肌肉组织、猪肝组织和载玻片等不同基材的粘合强度，结果表明水凝胶能够与各种组织粘附，且在短短 30秒内就达到了最佳粘附力，说明PBAM/CS/TFe水凝胶具有快速的组织粘附特性。此外，水凝胶能紧贴作者手指，无明显炎症反应和组织刺激，在作者连续伸屈手指和高度拉伸时也没有脱落，剥离后皮肤上没有残留物。以上结果共同表明PBAM/CS/TFe水凝胶表现出优异的组织粘附行为和理想的自愈性能，作为伤口敷料能完全牢固地覆盖伤口部位，并在休息后迅速恢复到接近初始状态，避免继发感染（图3）。
图3 PBAM/CS/TFe水凝胶的自修复和粘附性能
4. PBAM/CS/TFe水凝胶的体外抗菌特性
细菌感染可能会延迟组织再生和伤口愈合，接下来作者探究了复合水凝胶的体外抗菌性能。采用琼脂平板计数法测定PBAM/CS/TFe水凝胶的杀菌效果，结果表明300 μg/mL水凝胶在近红外NIR照射下对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效率可达到接近100%。SEM观察到经PBAM/CS/TFe+NIR处理后金黄色葡萄球菌形态改变、细菌膜严重损伤，表明光子高热可以破坏细胞质膜并诱导细菌死亡。活死细胞染色表明了同样的结论，且材料对大肠杆菌（E.coli）的杀伤作用更强。以上结果共同表明PBAM/CS/TFe水凝胶在近红外激光照射下具有良好的广谱抗菌性能，在对抗病原菌感染方面显示出良好的潜力（图4）。
图4 PBAM/CS/TFe水凝胶的体外抗菌特性
5. PBAM/CS/TFe水凝胶的体外抗菌膜特性
细菌生物膜的形成可以增加细菌对抗生素药物的耐药性。作者通过结晶紫染色探索材料处理后细菌生物膜的形成，结果表明PBAM/CS/TFe + NIR对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出明显的抑制细菌生物膜能力；通过平板计数评估生物膜细菌的活力，结果显示PBAM/CS/TFe + NIR可以杀死几乎所有的生物膜细菌（金黄色葡萄球菌为 98.3%，大肠杆菌为 99.7%），表明PBAM/CS/TFe水凝胶主要通过杀灭细菌来有效抑制生物膜的形成。此外，作者建立了金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的成熟生物膜，用各种材料处理，结果显示 PBAM/CS/TFe + NIR具有显著消融成熟生物膜的活性，SEM得到同样的结论。以上结果共同表明PBAM/CS/TFe + NIR通过杀伤细菌抑制生物膜形成，对抗生物膜相关细菌感染的治疗具有巨大潜力（图5）。
图5 PBAM/CS/TFe水凝胶的体外抗菌膜特性
6. PBAM/CS/TFe水凝胶在感染性创面治疗中的应用
接下来作者探究了材料在小鼠感染性创面修复中的应用。首先在小鼠背部建立金黄色葡萄球菌感染的直径5 mm全皮层损伤模型，将小鼠分为六组（PBS、PBS+NIR、PBAM/CS、PBAM/CS+NIR、PBAM /CS/TFe 和 PBAM/CS/TFe + NIR）进行治疗，结果表明PBAM/CS/TFe + NIR 治疗组的伤口愈合最快、愈合效果最好，这主要是由于PBAM/CS/TFe + NIR具有很强的抗菌能力。此外，对伤口组织进行HE染色，结果表明PBAM/CS/TFe + NIR治疗组的炎症细胞（紫蓝色）浸润最低，说明不会引起炎症反应。以上结果共同表明PBAM/CS/TFe + NIR治疗能够有效促进感染性创面的愈合，且不会引起炎症反应（图6）。
图6 PBAM/CS/TFe水凝胶在感染性创面治疗中的应用
综上，本文成功开发了一种多功能复合水凝胶敷料，该水凝胶由丙烯酰胺（AM）、3-丙烯酰胺基苯基硼酸（AAPBA）、壳聚糖（CS）和TFe NPs纳米粒子共聚组成，由于存在多个氢键和硼酸酯键等动态和可逆键，所制备的PBAM/CS/TFe水凝胶具有优异的力学性能（如超拉伸、高拉伸强度）、良好的柔韧性和可恢复性、优异的自愈能力。此外，由于含有大量的儿茶酚、邻苯三酚、苯硼酸、胺和羟基，水凝胶可高效粘附与各种组织和基材。PBAM/CS/TFe水凝胶在 808 nm 近红外激光照射下能够有效杀灭革兰阳性菌（S. aureus）和革兰阴性菌（E. coli），抑制S. aureus生物膜的形成。此外，动物试验结果证明PBAM/CS/TFe + NIR治疗组的感染性创面恢复最快，表明PBAM/CS/TFe水凝胶可通过消除伤口中的细菌来显着改善伤口愈合部位，减少炎症反应，促进组织再生。因此，具有高抗菌性能和抗氧化能力的超拉伸、自愈和组织粘附的复合水凝胶敷料在未来的临床应用中具有巨大的潜力。
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