烧伤是世界上第四大最常见的破坏性创伤，并且大面积的烧伤还很容易造成细菌感染，影响伤口愈合的同时也会造成如败血症这样的致命性并发症，因此，易感烧伤伤口需要立即进行抗菌治疗。虽然近年来针对烧伤研制的抗菌药物具有明显的促愈合作用，但多数并不能预防烧伤创面的细菌感染。妥布霉素（TOB）可以治疗多种细菌感染，但它是一个浓度依赖型抗生素，滥用会造成很大的副作用。只有制备一种按需释放TOB的系统才能更有利于治疗烧伤及其引起的细菌感染。

基于此，西安交通大学郭保林团队报道了一种由季铵化壳聚糖（QCS）、氧化右旋糖苷（OD）、TOB和表面修饰聚多巴胺的聚吡咯纳米线（ PPY@PDA NWs ）制备的、且具有良好导电性能和抗菌性能的自愈合水凝胶。该水凝胶通过席夫碱交联，因此可以响应弱酸性pH实现TOB的按需释放，在短时间内杀灭高浓度的铜绿假单胞菌(PA)、金黄色葡萄球菌（SA）和大肠杆菌（EC），并促进伤口愈合。

图1 水凝胶的形成过程

水凝胶的制备及表征

首先对壳聚糖进行季铵化改性得到QCS以提高其水溶性，并赋予其对抗耐药细菌的能力。然后将天然的多糖右旋糖苷进行氧化，使其修饰有醛基基团（OD）。以QCS和OD之间的席夫碱反应形成水凝胶骨架，有着多重氨基的TOB也能作为小分子交联剂通过席夫碱反应参与到水凝胶的形成过程中，同时，TOB的引入还会提高水凝胶的韧性和自修复能力。并且，水凝胶的储能模量也会随着PPY@PDA NWs的引入而增强。在未加入PPY@PDA NWs的时候，整个水凝胶是绝缘材料，电导率仅为0.0004 S/m，而PPY@PDA NWs的引入将电导率提高四倍，达到0.0016 S/m。

图2 水凝胶的性能表征

因为席夫碱具备pH响应性，作者又研究了不同pH下水凝胶的性能。实验发现，在生理环境下，孵育24 h后水凝胶仅有26%的失重，而在弱酸性环境下，失重达到63%。相应地，当pH为7.4，只有18%的TOB从水凝胶中被释放，而相同条件下pH为5.5时，释放量超过45%。

然后，作者又利用1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl（DPPH）研究了水凝胶的抗菌性能。对于单一的QCS/OD水凝胶，醛基基团能和DPPH结合，因此对DPPH的清除率也能达到48%，而在水凝胶中引入TOB后，清除率达到85%， PPY@PDA NWs 的引入能进一步将清除率提高至90%以上。

图3 TOB的释放行为和水凝胶的抗菌能力

水凝胶在液体介质和固体介质中的抗菌能力

细菌在呼吸和发酵过程中产生碳酸、乳酸等酸性产物，使周围环境变为微酸性微环境，因此，细菌生长可以促进水凝胶的降解和TOB的释放。实验发现，0.5 mL的水凝胶可以在36 h内完全杀死5 mL 108 CFU/mL的PA、SA和EC。并且，水凝胶在细菌悬浮液中浸泡24 h后仍具有良好的力学性能，同时，0.5 mL水凝胶完全杀死5 mL 107 CFU/mL的PA、SA和EC后还能再一次完全杀死5 mL 107 CFU/mL的 PA 、SA和EC，说明其抗菌活性未受影响，

接下来，作者通过固体琼脂扩散实验研究了水凝胶在固体介质中的抗菌性能。实验发现，一天后，对于SA和EC的抑菌圈直径为20 mm，对PA则达到34 mm。水凝胶对EC的抗菌活性能维持7天，而对PA和SA能维持11天。

图4 水凝胶对PA、SA和EC的抑制能力

由于PPY@PDA NWs的引入，水凝胶具备光热性能，经过近红外光照射10 min后，水凝胶的温度能提高21℃，仅通过1 min的近红外光照射就能达到100%杀菌率。

图5 水凝胶的光热性能

水凝胶的体内抗菌和促进伤口愈合的能力

造模成功后，伤口经水凝胶处理一天，水凝胶的杀菌率达到99.97%。对于对照组，由于细菌感染，一天后的创面收缩率仅为7%，而经过水凝胶处理后，伤口收缩率达到37%。治疗10天后，对照组创面仍轻度感染，创面收缩率为41%。相比之下，水凝胶组创面收缩率达到82%。治疗20天后，水凝胶组创面收缩完全，而对照组创面收缩仅为88%。

图6 水凝胶在体内的抗菌能力和促进创面收缩的能力

感染创面常伴有严重的炎症细胞浸润，作者通过TNF-α表达定量评价创面的炎症程度。实验发现，与H&E染色结果相一致，创面愈合早期(第5天)，水凝胶组炎症水平低于对照组。

图7 水凝胶降低体内验证水平的表征

小结：作者制备了能够按需实现 TOB 释放的自修复水凝胶。 该水凝胶具有良好的导电性、良好的抗菌活性和良好的生物相容性。 TOB 的长期释放表明它有能力应对感染烧伤伤口缓慢愈合。 此外， PPY@PDA 所赋予的光热特性和 QCS 的聚阳离子使水凝胶能够杀伤耐药细菌。 并且该水凝胶显著加快创面收缩，有效控制炎症水平，促进血管生成，因此，在烧伤感染创面修复方面具有很大的优势。

原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c05557

来源：高分子科学前沿

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