摘要

烧伤是世界范围内常见的健康问题，并且极易受到普通伤口敷料难以处理的细菌感染。因此，烧伤创面修复在临床实践中极具挑战性。近日，西安交通大学科研人员以季铵化壳聚糖（QCS）、氧化葡聚糖（OD）、妥布霉素（TOB）为基础，制备了一系列具有良好导电性和抗氧化活性的自修复水凝胶（QCS/OD/TOB/PPY@PDA），和聚多巴胺涂层的聚吡咯纳米线（PPY@PDA NWs）。氨基糖苷类抗生素 TOB 和 OD 之间的这些席夫碱交联使 TOB 能够缓慢释放并对 pH 值作出反应。有趣的是，细菌生长过程中的酸性物质可以诱导TOB的按需释放，避免了抗生素的滥用。抗菌结果表明，QCS/OD/TOB/PPY@PDA9水凝胶可在短时间内杀灭高浓度的铜绿假单胞菌（PA）、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，并在琼脂中表现出长达11天的杀菌效果。平板扩散实验，同时表现出良好的体内抗菌活性。优异且持久的抗菌特性使其适用于严重感染的伤口。此外，PPY@PDA的加入赋予水凝胶近红外（NIR）辐射辅助耐药菌的杀菌活性、导电性和抗氧化活性。最重要的是，在 PA 感染的烧伤创面模型中，与 Tegaderm 敷料相比，QCS/OD/TOB/PPY@PDA9 水凝胶更有效地控制创面炎症水平并促进胶原蛋白沉积、血管生成和更早的创面闭合。因此，按需给药的 TOB 智能释放水凝胶对于细菌感染的烧伤创面愈合极为有利。

图1 水凝胶的形成过程。(a) QCS 的合成。(b) OD 的合成。(c) PPY@PDA NWs 的合成。(d) QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶形成图。

主图导读

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。(a) PPY@PDA NWs 的 TEM 图像。比例尺：500 nm。(b) QCS/OD 水凝胶的 XPS C 1s 光谱。(c) QCS/OD/TOB 水凝胶的 XPS C 1s 光谱。(d) QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶的流变行为。(e) QCS/OD/TOB/PPY@PDA9水凝胶的流变特性。PBS 中 QCS/OD/TOB/PPY@PDA 水凝胶在 37°C 下的降解曲线，pH = 7.4 (f) 和 pH = 5.5 (g)。(h) QCS/OD/TOB/PPY@PDA 水凝胶的电导率。

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%。接着 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4 TOB的释放行为和水凝胶的抗菌能力。(a) QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶的抗氧化活性。(b) QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶的溶血率。L929 细胞与 QCS/OD/TOB/PPY@PDA 水凝胶提取物培养 (c) 和当 L929 细胞与水凝胶接触 24 小时 (d) 时的细胞活力。(e) L929 细胞与 QCS/OD/TOB/PPY@PDA 水凝胶接触 24 小时后的活/死染色。比例尺：400 μm。

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。然后 ，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5 水凝胶对PA、SA和EC的抑制能力。(a) PA、(b) SA 和 (c) EC 的抑制区直径。(d) PA、(e) SA 和 (f) EC 的抑制区图片（QCS/OD/TOB 为 1 个，QCS/OD/TOB/PPY@PDA9 为 2 个，QCS/OD 为 3 个）。

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6 该水凝胶的光热特性。

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7 水凝胶在体内的抗菌能力和促进创面收缩的能力。(a) PA 感染烧伤模型的构建过程。(b) QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶处理后的伤口照片。比例尺：5 毫米。(c) QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶处理后的伤口收缩。(d) 在 QCS/OD/TOB/PPY@PDA 水凝胶处理后第 10 天，Masson 三色染色的图像。比例尺：800 μm。

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8 水凝胶降低体内验证水平的表征。(a) QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶处理后伤口再生的组织形态学分析（绿色箭头标记肉芽组织；蓝色箭头标记没有附件的真皮）。比例尺：40× 800 μm 和 100× 300 μm。（b）第10天肉芽组织厚度的定量数据。（c）第20天无附件真皮长度的定量数据。（d）第20天不同组的毛囊。第20天的毛囊数据 Tegaderm敷料组为100%。

总结

科研人员制备了一系列具有细菌生长诱导的 TOB 智能释放的自愈水凝胶。该水凝胶具有良好的导电性和优异的抗氧化活性以及良好的生物相容性。重要的是，QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶表现出智能释放TOB并表现出优异的抗菌能力。TOB 在琼脂板上的长期释放表明它能够应对感染烧伤伤口的缓慢伤口愈合。此外，PPY@PDA所赋予的光热特性和QCS的聚阳离子使水凝胶具有良好的杀灭耐药菌的能力。优化后的 QCS/OD/TOB/PPY@PDA9 水凝胶在 PA 感染的烧伤创面模型中比 Tegaderm 表现出更好的创面收缩和胶原沉积，并且 QCS/OD/TOB/PPY@PDA9 水凝胶可以有效控制炎症水平和 促进血管生成。因此，QCS/OD/TOB/PPY@PDA水凝胶对于感染性烧伤创面的修复具有很大优势。

相关论文以题为Bacterial Growth-Induced Tobramycin Smart Release Self-Healing Hydrogel for Pseudomonas aeruginosa-Infected Burn Wound Healing发表在《ACS Nano》上。通讯作者是西安交通大学郭保林教授。

参考文献与来源：

doi.org/10.1021/acsnano.2c05557

高分子科学前沿