西南大学：高效光动力杀菌聚合物材料研究的最新进展！

近期，西南大学Kang En-Tang（康燕堂）团队在科爱出版社创办的期刊 Bioactive Materials 上发表综述文章：高效光动力杀菌聚合物材料研究的最新进展。从光动力抗菌疗法三要素：光敏剂、光和分子氧出发，系统总结了可用于光动力抗菌疗法的聚合物/光敏剂复合材料的最新研究进展，并指出抗菌性聚合物基光敏剂在未来发展中的机遇和挑战。

01

研究内容简介

随着生活环境和公共设施相关细菌感染风险的常见化以及各种术后病原体感染几率的升高，细菌感染性疾病的发病率逐年增加。然而，抗生素的滥用和误用以及环境残留导致了多重耐药菌和超级细菌的出现和流行。现有临床治疗手段单一，难以阻止细菌耐药性的产生，并且抗菌药物的药性也会随着时间推移而降低。光动力抗菌疗法（APDT）是光敏剂（PSs）在氧气存在下通过特定光源辐照产生具有高破坏性的活性氧（ROS）物质，对细菌膜结构以及酶、蛋白质、核酸等造成损伤，从而引起细菌死亡，且对多重耐药菌具有相同的杀菌作用。聚合物基功能材料具有生物相容性好、稳定性高、炎症反应低等优点，可以通过多种分子相互作用与光敏剂集成，实现光敏剂局部高效递送，以提高光敏剂使用效率。该文章从光敏剂-聚合物复合体系的光活性特点出发，对其在光动力灭活细菌病原体中的最新研究进展进行了详细综述。

一、抗菌光动力疗法

光动力疗法（PDT）是一种非侵入式、临床应用且安全的治疗策略。该综述首先介绍了传统的卟啉和非卟啉PSs的应用局限性以及理想PSs应具有高纯度、溶解性/分散性、稳定性、高 ROS 产率、强吸光能力（600-800 nm）、稳定的三重态等特点。随后，阐述了PDT的Ⅰ型和Ⅱ型光化学机制和ROS对细菌的损伤机制（图1）。在这种机制下，卟啉类PSs、非卟啉PSs以及一些纳米材料，如金属、金属氧化物、金属-有机框架、碳点和二维材料，能够吸收光能并产生ROS，从而起到杀菌作用。接着，作者围绕聚合物基APDT平台，从PSs/聚合物复合材料、表面涂层、薄膜、支架和水凝胶等方面展开叙述。

图1: (a) APDT的I型和II型光化学机制；(b)ROS对细菌损伤机制图

二、PSs/聚合物复合材料

PSs在细菌感染部位富集对实现其APDT功能至关重要。聚合物基复合材料是增强APDT效果的理想材料。目前，大量天然和合成高分子已应用于制备PSs/聚合物复合材料（表1）。作者根据PSs和聚合物集成方式，将其分为PSs偶联的聚合物和PSs包埋的聚合物纳米材料，还展示了多种因素（组成、结构、电荷等）对APDT应用效果的影响。

表1: PSs偶联聚合物相关聚合物、光敏剂类别、作用细菌种类、激发光源、作用浓度和杀菌效率

2.1 PSs偶联聚合物

目前，大量天然和合成聚合物通过各类物理、化学作用与PSs偶联，形成的PSs偶联聚合物被用于APDT。天然多糖具有优异的性能，可用于改善 PSs 的亲和力、生物相容性和分散性。最为典型的天然聚合物如壳聚糖（CS）与二氢卟吩（Ce6）通过共价键偶联并组装成纳米颗粒。CS-Ce6复合材料携带正电荷，它可以通过静电吸引增强与细菌的亲和力。通过流式细胞仪表征发现，CS-Ce6复合材料比Ce6本身更容易在细菌表面富集（图2）。CS-Ce6复合材料对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和鲍曼不动杆菌都有极强的APDT效果。

糖基化修饰能够提高PSs的稳定性，还能够增强PSs与细菌表面相互作用以及靶向递送功能。此外，由于细胞膜表面带有负电荷，用阳离子聚合物/多肽功能化PSs也可以增强其在细菌表面的粘附。在Ce6结构中引入阳离子型多肽能够提高其细菌结合性以及细菌生物膜穿透性，从而提升其APDT杀菌效率。

图2: (a) CS-Ce6纳米组装体制备示意图；(b–c) 利用流式细胞仪检测CS-Ce6 纳米组装体和 MRSA 混合物的荧光强度；(d) CS、Ce6和CS-Ce6 纳米组装体的Zeta 电位；(e–f) Ce6 和CS-Ce6 纳米组装体在有无光照情况下对 MRSA 和鲍曼不动杆菌的 APDT 活性。

2.2 PSs包埋的聚合物纳米材料

一些聚合物基纳米材料或聚合物修饰的纳米材料可用于负载PSs以提高其APDT效果。有些纳米材料本身具有光照产生ROS的能力，经聚合物表面修饰后可直接应用于APDT。这些PSs包埋或具有ROS产生能力的纳米材料都被证明具有优异的APDT功效。然而，在临床转化应用中，仍需要解决缺氧微环境中有限的 1O2 产率、光源对深层组织穿透和炎症等问题。近期，科研人员设计制备了上转换纳米材料（UCNPs）、吲哚菁绿（ICG）和适度氧化的SnS2纳米片（partially oxidized SnS2 (POS) nanosheets）集成的纳米平台（POS-UCNPs/ICG ）。在近红外光照射下，POS-UCNPs/ICG能够产生ROS及治疗性气体CO和O2，生成的O2能够增强APDT效果，而产生的CO则能够通过PI3K/NF-κB通路调节炎症反应（图3）。

图3：(a) POS-UCNPs/ICG 复合材料制备示意图及其 APDT 机理；(b) POS-UCNPs/ICG 诱导细菌损伤示意图；(c) POS-UCNPs、POS/ICG和POS-UCNPs/ICG处理细菌后形成的菌落；(d) POS-UCNPs/ICG 通过产生 CO 触发抗炎机制示意图。

三、表面涂层

生物医用材料表面容易引起蛋白质吸附、细菌附着，随后会形成细菌生物膜。细菌生物膜难以清除，需要抗生素、手术清创、二次手术等治疗，会影响植介入材料的性能和使用寿命，甚至会威胁患者健康和生命安全。在生物医用材料表面构筑抗菌涂层，是防治植入物相关感染 (IAI)的有效方法。目前，已经开发出多种表面涂层技术来抵抗口腔、骨科、矫形外科等涉及的 IAI。贻贝启发的聚多巴胺 (PDA)具有表面沉积普适性，在钛基植入物沉积后还能够用于粘接Ag3PO4-GO和CuFe2O4/GO复合材料，从而构建具有APDT功能的高效杀菌涂层（图4）。

图4: (a) 钛基植入物表面构建PDA/Ag3PO4/GO 抗菌涂层的示意图；(b-h) NIR 触发的 CuFe2O4/GO 协同抗菌机制及抗菌性能评价。

四、薄膜、支架和水凝胶

4.1含PSs的薄膜和支架材料

薄膜和支架材料已被广泛用于再生医学领域。含 PSs 的多功能敷料具有止血、抗感染、伤口体征监测和组织修复等功能。PSs 包覆的支架可用于防治组织/骨骼再生过程中可能存在的感染问题。一些常见的方法，如浸涂、膨胀-包埋-收缩、表面吸附、化学偶联、物理混合等，可将PSs集成至薄膜或支架材料中。静电纺丝具有制造装置简单、纺丝成本低廉等优点，已成为制备纳米纤维材料的有效途径之一。与其它纺丝技术相比，静电纺丝制备的负载 PSs 的纤维支架比表面积更大，APDT效果更好（图5）。尽管电纺纤维支架具有高比表面积和易修饰性能，但未共价偶联的复合材料可能存在PS突释行为。因此，构建具有按需递送功能的电纺纤维膜是解决该问题的有效策略。

图5: (a) 通过静电纺丝制备多孔原卟啉/醋酸纤维素(PPIX/CA)膜；(b) PS 和辣根过氧化物酶(HRP)点缀的纳米纤维复合材料；(c)环糊精和PS 负载的聚丙烯织物的制备及其 APDT 机制。

4.2 PSs掺杂的水凝胶

聚合物基水凝胶材料具有可调节的溶胀比、高保湿性能、模仿细胞外基质(extracellular matrix, ECM)等特点，在组织工程领域受到越来越多的关注。由于皮肤伤口形状通常不规则，传统水凝胶无法完整地覆盖伤口区域。可注射水凝胶能填充任意形状的缺损，并在很大程度上降低植入对机体组织的侵入性。更重要的是，可注射水凝胶的快速凝胶化特性可保护掺杂的PS在伤口部位注射后不扩散（图6）。此外，具有刺激响应特性（如温度和 pH 值）的水凝胶可以主动感受外部环境的差异，并以体积溶胀或收缩等特定的方式将其感受到的变化反映到外界，在APDT治疗伤口感染过程中具有独特优势。

图6: (a) Ag/Ag@AgCl/ZnO水凝胶敷料抗菌机理图；(b) 水凝胶在不同 pH 值下的溶胀行为；(c) 水凝胶体内抗感染性能；(d-e) Ag/Ag@AgCl/ZnO 水凝胶的光照杀菌效率；(f) 水凝胶处理的大鼠伤口皮肤组织免疫学观察。

最后，作者提出自己的观点，指出目前开发的光动力杀菌材料在动物试验中已展现出较好的APDT效果、促进伤口愈合能力、优良的药物代谢性能等潜力，为其临床应用打下坚实的基础。但与PDT抗癌药物相比，聚合物基APDT系统的临床试验仍然缺乏。通过材料设计，获得高效的三重激发态 (3PS*) 以及提升光敏剂的系间窜跃(ISC)和ROS产率，是聚合物基APDT系统的重要挑战。在高分子材料中集成纳米酶、纳米反应器和天然产物等药物，获得多模式协同抗感染平台，也是提升APDT系统应用潜能的重要途径之一。

02

论文第一/通讯作者简介

第一作者：Sathishkumar Gnanasekar

印度巴拉迪大学博士、西南大学材料与能源学院博士后。从事抗菌材料和生物医用材料表面改性研发工作。

通讯作者：徐立群

西南大学材料与能源学院教授、博士生导师、副院长，重庆市巴渝学者青年学者，重庆市高校创新研究群体负责人，重庆市研究生导师团队负责人，重庆市优秀创新创业导师，重庆市科学传播专家团专家，重庆市引进高层次人才。

主要从事高分子抗菌材料和生物医用材料表面改性及功能化研究。在Prog. Polym. Sci, Bioact. Mater, Adv. Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces., Chem. Eng. J等期刊发表SCI论文110多篇; 撰写英文书章节3篇。主持国家重点研发计划重点国合1项和国家自然科学基金3项。

通讯作者：Kang En-Tang(康燕堂)

西南大学材料与能源学院教授、博士生导师，新加坡国立大学荣誉退休教授，国家引进海外高层次人才。

主要从事高分子材料研究，致力于光电信息功能材料结构设计与表界面性能调控、材料表界面修饰与改性, 生物医用材料表面改性等工作。近年来以通讯作者/第一作者在 Chem. Soc. Rev., Prog. Polym. Sci., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Mater. Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett, Macromolecule, ACS Appl Mater Interface等期刊发表研究论文及综述760多篇；受邀撰写著作章节25篇；申请并获授权国际专利25项，其中美国专利11项；在国际学术会议上做受邀/主旨/大会报告60余次；主持新加坡教育部、环境局、科技局等基金项目20多项。

03

资助信息

该研究获国家自然科学基金、重庆市自然科学基金、重庆市高校创新团队、海南省院士创新平台、重庆市微纳生物医用材料与器件工程研究中心的支持。

04

原文信息

Sathishkumar Gnanasekar, Gopinath Kasi, Xiaodong He, Kai Zhang, Liqun Xu*, En-Tang Kang*.

Recent advances in engineered polymeric materials for efficient photodynamic inactivation of bacterial pathogens.

Bioactive Materials, 21 (2023) 157-174.

来源：智能小分队