《ACS Nano》多功能纳米异质结水凝胶敷料

概述

尽管在研发用于监测和治疗细菌生物膜感染的各种智能伤口敷料方面取得了进展，但要设计出一种创新且多功能的诊疗平台，能够对生物膜感染进行现场监测、有效清除生物膜并调节炎症免疫微环境以促进伤口愈合，仍是一项重大挑战，值得进一步探索。为了解决这一挑战，设计了一种多功能的掺铒壳聚糖包封ZIF-8（CDs@ZIF-8）纳米异质结（C@Z纳米异质结）结构，并将其整合到基于明胶甲基丙烯酸酯/聚（N-羟乙基丙烯酰胺）（GelMA/PHEAA）的坚韧且粘性的水凝胶敷料（GH-C@Z）中（图1a），用于伤口生物膜感染的诊疗。如图1b所示，所构建的GH-C@Z水凝胶能够响应酸性生物膜微环境刺激，呈现出一种对生物膜感染的青色荧光响应开启反应。同时，从该水凝胶中释放出的C@Z纳米异质结、掺铒壳聚糖和Zn2+离子能够有效地破坏生物膜胞外聚合物（EPS）。在808纳米近红外光下实现光热-光动力-离子干扰协同抗菌疗法。此外，在抗菌光疗之后，Er:CDs的出色抗氧化特性使水凝胶能够减轻氧化应激，诱导巨噬细胞向M2型表型极化，并促进新生血管生成和感染性生物膜伤口的恢复。总体而言，这种定制的多功能整合诊疗平台有望用于生物膜感染的早期和现场监测，能够及时有效地消除受感染的生物膜，并促进恢复。

（a）C@Z-HJ的合成过程示意图GH-C@Z水凝胶和（b）示意图GH-C@Z水凝胶用于生物膜感染皮肤伤口的原位视觉监测、协同抗菌和抗氧化治疗。

结果和讨论

C@Z Nano-HJ的合成与表征

该研究通过溶剂热法一步合成了铒掺杂碳（Er:CDs），以柠檬酸、尿素和ErCl3·6H2O为原料在DMF中反应制得。结构表征显示：XRD图谱晶面峰随Er掺杂量（2.5%-40%）增加而减弱，表明Er掺杂导致sp2碳结构无序化，使能隙增大、近红外吸收减弱。光热/光动力测试表明高Er掺杂会降低光热转换效率和•OH生成能力，最终选择5%掺杂比例用于后续实验。进一步通过"环形包裹"法合成C@Z纳米氢键化合物：将Er:CDs分散于Zn2+和2-甲基咪唑前驱液中，利用Zn2+与咪唑N及CDs羧基的配位作用，使ZIF-8在Er:CDs表面生长。TEM显示纯ZIF-8为十二面体（图1c-d），而C@Z呈不规则形貌，表面附着Er:CDs团聚体（图1e-f）。

图1.Er:CDs、ZIF-8和C@Z-HJ的表征。（a）TEM和（b）Er:CDs的HRTEM图像。（c）（d）ZIF-8的SEM和TEM图像。（e）C@Z-HJ的SEM和TEM图像。（g）C@Z-HJ的元素映射。（h）Er:CDs、ZIF-8和C@Z-HJ的XRD图谱。（i）Er:CDs、ZIF-8和C@Z-HJ的FTIR光谱。（j）XPS测量光谱，Er:CDs、ZIF-8和C@Z-HJ的（k）C 1s、（l）N 1s和（m）Zn 2p。

C@Z Nano-HJ的pH响应性和光物理性质

生物膜原位视觉传感检测对于生物膜感染的诊断和治疗具有极其重要和紧迫的意义。由于其酸响应特性，ZIF-8可以作为pH响应荧光开关，分解和释放封装在ZIF-8中的Er:CDs，利用荧光变化实现生物膜的视觉检测。

图2.Er:CDs和C@Z-HJ的pH依赖性PL性能及相关机制。（a）pH=7.5和pH=5.0时c@Z溶液的激发-发射图和（b，c）相应的PL激发和发射光谱。（d）C@Z-HJ在pH=7.5和pH=5.0下的SEM图像。（e）不同pH条件下C@Z-HJ中Zn2+的释放。（f）C@Z-HJ在pH=7.5和pH=5.0时的紫外-可见吸收光谱。（g）不同pH条件下Er:CD溶液的激发-发射图。（h）在蓝光照射下，pH=7.5和pH=5.0的Er:CD和C@Z溶液的照片以及相应的CIE坐标。（i）Er:CDs溶液在pH=7.5和pH=5.0时的PL激发和（j）发射光谱。不同pH条件下Er:CD溶液的解卷积PL（k）激发和（l）发射光谱。（m）pH=7.5和（n）pH=5.0时C@Z溶液的解卷积PL激发光谱。C@Z溶液在（o）pH=7.5和（p）pH=5.0时的解卷积PL发射光谱。

C@Z Nano-HJ的体外抗生物膜性能

在菌落形成过程中，细菌会形成复杂而致密的生物膜，对标准抗生素治疗的渗透具有高度抵抗力。此外，细菌生物膜对宿主免疫防御具有很强的抵抗力，并有助于对感染产生持久的抗微生物耐药性。在有前景的近红外光热特性和微环境响应Zn2+释放性能的鼓舞下，作者探索了C@Z nano-HJ的抗生物膜能力如图3所示：

图3.C@Z-HJ的体外抗生物膜性能。（a）不同处理后用结晶紫染料染色的代表性金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生物膜。（b）不同处理后金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生物膜被破坏的细菌菌落的代表性图像。（c−f）图4a、b的相关定量分析。不同处理后（g）金黄色葡萄球菌和（h）大肠杆菌生物膜的SEM图像。橙色三角形箭头表示细菌破裂。（i）通过活/死染色重建处理过的生物膜的3D图像。

C@Z-HJ的生物膜去除机理

生物膜内的细菌分泌EPS以逃避免疫系统和外部杀菌剂，保护自己免受消除，并导致难治性和持续性的生物膜相关感染。胞外多糖是一种关键的生物膜基质成分，同时也是细菌的重要碳库。此外，作为一种生物粘附成分，eDNA通过有效地将附近的EPS和细菌结合成粘性生物膜结构，在细菌粘附和生物膜稳定中起着至关重要的作用。为了探索潜在的抗生物膜机制，分别使用Calcofluor White M2R（CFW）和SYBR Green荧光染料进行双重染色，评估了各组的胞外多糖和eDNA水平（图4a）。结果表明，C@Z+NIR处理后，生物膜中的eDNA和胞外多糖受到显著抑制，荧光强度降低。

图4.生物膜根除的机制探索。（a）金黄色葡萄球菌形成的生物膜基质的主要成分分布。（b）金黄色葡萄球菌和（c）大肠杆菌的膜通透性。处理过的（d）金黄色葡萄球菌和（e）大肠杆菌生物膜中的蛋白质浓度。（f）PBS和C@Z处理细菌gDNA的琼脂糖凝胶电泳结果。（g）金黄色葡萄球菌和在近红外辐射下用C@Z处理的大肠杆菌（橙色箭头表示质壁分离；黄色箭头表示稀疏的内部细胞器）。（h）不同处理后金黄色葡萄球菌的DCFH-DA染色图像。

结论

本研究成功开发了一种基于GH-C@Z水凝胶的荧光敷料，用于细菌生物膜感染的快速检测与高效治疗。该智能敷料具有以下创新特性：（1）pH响应性检测：C@Z纳米氢键化合物的酸性微环境响应特性，使水凝胶在生物膜感染部位呈现从无荧光到青色荧光的显色变化，实现感染原位可视化监测；（2）协同抗菌机制：释放的C@Z纳米颗粒可降解胞外聚合物（EPS）中的eDNA和多糖，瓦解生物膜保护屏障；经808 nm近红外光激发后，Er:CDs产生局部高热和大量•OH，通过膜损伤和胞内氧化应激实现高效杀菌；（3）免疫调控与组织再生：清除生物膜后，Er:CDs发挥酶模拟活性清除ROS，逆转促炎微环境，并重编程巨噬细胞为促修复M2表型；（4）创面修复：该水凝胶能显著抑制炎症反应、促进胶原沉积和血管新生，加速感染创面愈合。本研究构建的多功能C@Z基水凝胶平台，为临床生物膜感染的同步诊断与治疗提供了新型诊疗一体化解决方案。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15743

来源: 冯Group