伤口周围潮湿的微环境容易被细菌感染，容易诱发炎症，加上机体免疫系统紊乱产生的自由基引起的氧化应激损伤和复杂的外部环境，严重影响了伤口愈合。基于天然聚合物的抗菌水凝胶，如基于壳聚糖（CS）的水凝胶，提供了一种新的竞争策略来应对细菌感染（尤其是细菌感染的伤口）的威胁，因为它们具有包括绿色、安全在内的多功能特性。然而，大多数这些没有功能修饰的天然聚合物基水凝胶具有不足的生物活性。虽然，研究人员采用生物功能修饰策略来增强单一的天然聚合物水凝胶的抗菌、抗氧化和抗炎特性，但目前亟需开发一种最佳策略在材料功能、降解、安全性和组织再生之间取得平衡。

鉴于此，西北农林科技大学王丽教授和中国科学院强磁场科学中心陆轻铀研究员和Jihao Wang教授首次提出了一种超声触发不可逆趋向于平衡的自组装和离子交联共驱动策略，用于制备多功能肉桂醛-鞣酸-醋酸锌纳米球（CA-TA-ZA NSs），实现融合亲水性和疏水性药物-食品小分子。此外，通过将药物-食品小分子自组装CA-TA-ZA NSs引入CS的3D网络结构而功能化的新型“一体式”壳聚糖（CS）基水凝胶，显示出卓越的抗菌、抗氧化、抗炎和减少氧化应激损伤的能力。多功能CS基水凝胶可以在伤口部位实现快速原位凝胶化，并完全覆盖不规则伤口。所有这些优势使基于CS的水凝胶能够清洁伤口微环境，诱导皮肤组织重塑，促进血管修复和毛囊再生，使免疫系统恢复正常生理活动，加速伤口愈合。因此，这项研究为设计在生物医学领域具有巨大应用潜力的先进功能材料提供了新的视角。相关工作以“Green Regenerative Hydrogel Wound Dressing Functionalized by Natural Drug-Food Homologous Small Molecule Self-Assembled Nanospheres”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

纳米球和CS基水凝胶的制备

作者将单宁酸（TA）接枝在肉桂醛分子上形成纳米乳液（CA-TA NEs）。通过醋酸锌（ZA）和TA分子之间的强离子交联，成功制备了CA-TA-ZA纳米球（CA-TA-ZA NSs）体系（图1）。富含抗氧化官能团（Ar-OH）和抗菌成分的CA-TA-ZA NSs用于CS基水凝胶的功能化。水凝胶的形成涉及四重交联机制，即CS分子链和ZA分子之间的强离子交联，氨基之间的胺醛缩合反应和纳米球表面CA分子衍生的醛基，CS中带正电荷的氨基之间的静电相互作用分子和源自纳米球表面TA分子的带负电荷的酚羟基，以及CS、CA和TA分子之间的分子内或分子间氢键相互作用。CA的加入促进了CA-TA-ZA NSs球形微观结构的形成。实验结果证明了CA和TA之间的自组装特性，以及TA和ZA之间的离子交联，可用于构建CA和TA共递送纳米系统（图2）。此外，作者通过UV、FTIR光谱和X射线衍射（XRD）分析的表征，进一步证明了CA、TA和ZA分子之间的分子内或分子间氢键相互作用（图3）。

图1 CS基水凝胶的合成过程和潜在的凝胶化机制

图2纳米球和水凝胶的表征

图3 CA、TA和ZA相互作用表征

纳米球的抗菌作用、抗氧化能力和抗炎活性

作者通过平板计数法评估了CA-TA NEs、TA-ZA NPs和CA-TA-ZA NSs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌作用（图4）。在相同剂量（40 µg mL-1）下，自组装CA-TA NEs和CA-TA-ZA NSs具有优异的抗菌活性，而TA-ZA NPs的抗菌活性相对较弱。此外，作者通过ABTS和DPPH自由基清除实验表明所有含TA的体系都表现出很强的清除ABTS和DPPH自由基的能力，而CA表现出几乎没有清除能力（图5）。CA-TA-ZA NSs的抗炎活性实验表明，与LPS组相比，CA-TA-ZA NSs可抑制促炎因子的表达（图6）。

图4抗菌作用表征

图5纳米球的抗氧化能力表征

图6 CA-TA-ZA NSs的抗炎活性

CS基水凝胶的抗菌、抗氧化性能和伤口愈合机制

CS基水凝胶的微观结构和流变行为证明其可以用作药物递送的理想载体（图7）。基于CS的水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性，证明了它们出色的捕获和抗菌作用（图8）。CS基水凝胶具有较强的抗氧化活性，其抗氧化能力随着CA-TA-ZA NSs含量的增加而增加。体内伤口愈合实验表明，CS基水凝胶可有效加速细菌感染伤口的愈合，CS0.8治疗组第9天伤口愈合率超过95%（图9）。值得注意的是，基于CS的水凝胶对小鼠的主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏）没有组织毒性，为其安全性提供了证据（图10）。

图7水凝胶的微观结构和流变行为

图8 CS基水凝胶的抗菌和抗氧化性能

图9 CS基水凝胶促进伤口愈合机制示意图

图10不同治疗组的主要器官

小结：作者成功开发了一种基于CS的水凝胶伤口敷料，该敷料被天然药物-食品同源生物活性小分子CA和TA功能化。设计的CS基水凝胶伤口敷料显示出强大的抗菌、抗氧化、抗炎和减少氧化应激损伤的特性，可有效清洁伤口微环境，促进伤口组织重塑，快速修复伤口组织的正常生理功能，加速伤口愈合，这也符合生物医用材料平衡组织修复与修复的特点。CS基水凝胶在多功能伤口敷料中显示出巨大的竞争优势，为其在多功能抗菌伤口敷料中的应用提供了理论依据。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106572

来源：高分子科学前沿

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