《ACS Nano》西北大学范代娣：即时可调粘附双网络水凝胶贴剂用于感染伤口愈合！

第一作者：Yan Li

通讯作者：范代娣，朱晨辉，李阳

通讯单位：西北大学

研究速览

最近，西北大学范代娣教授团队在《ACS Nano》期刊上发表了具有即时/可调粘附和微环境调节的组织样软双网络水凝胶贴剂用于感染伤口愈合的文章。由细菌感染驱动的无序微环境是伤口愈合延迟的关键因素。此外，在长期治疗过程中，敷料与伤口部位之间不可避免地发生不受控制的粘连，从而导致伤口暴露或二次损伤的风险。因此，作者设计了一种基于正交交联机制的双网络水凝胶贴片（CHI(C)-F/N-A），具有即时/可调的粘附特性和协同调节微环境的功能，旨在解决这些复杂的问题。由N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺组成的共价网络（N-A）作为水凝胶的基本框架，通过丰富的极性相互作用在水凝胶和组织之间提供高度共形和稳定的整合，而相变特性赋予水凝胶通过热刺激削弱粘附强度的能力。咖啡酸改性壳聚糖与Fe3+配位形成的非共价网络（CHI(C)-F）整合了碱性多糖和天然多酚的突出抗菌和抗氧化功效，实现了病理微环境的协同调节，从而促进了伤口的整体愈合。值得注意的是，受益于多酚-金属配位的优异光热效应，近红外介导的水凝胶粘附强度调节策略得到了进一步扩展。这种水凝胶贴片为伤口敷料建立了合理的范例，其结合了令人满意的物理性质和生物活性，有望克服感染伤口的实际治疗的困难。

要点分析

要点一：双网络水凝胶的设计：作者设计了一种基于正交交联机制的双网络水凝胶。共价网络（N-A）由N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺组成，提供与组织的高度贴合和稳定的整合；非共价网络（CHI(C)-F）由咖啡酸修饰的壳聚糖与Fe3+配位形成，具有抗菌和抗氧化功效。

要点二：抗菌和抗氧化性能：水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出显著的抗菌活性，其抗菌机制可能与壳聚糖的抗菌作用和铁离子催化的芬顿反应有关。此外，水凝胶还具有良好的抗氧化能力，能够有效清除活性氧（ROS）和自由基。

图文导读

图1. 双网络水凝胶的合成与表征。（a）水凝胶合成示意图。（b）CHI、CHI(C) 和CHI(C)-Fe3+溶液的紫外-可见光谱。（c）具有不同网络结构的水凝胶的拉曼光谱。G1-G5的（d）FT-IR光谱和（e）扫描电子显微镜（SEM）图像。（f）在室温和4℃下UV固化后获得的CHI(C)-F/N-A的照片。（g）CHI(C)-F/N-A的SEM图像和相应的能量色散光谱（EDS）元素映射。

图2. 水凝胶的机械和光热转换性能。（a）具有不同网络结构和（b）具有不同百分比的非共价网络的水凝胶的应力-应变曲线。（c）水凝胶的拉伸杨氏模量和韧性。（d）不同应变下的拉伸加载-卸载曲线（n=3，来自独立实验）。（e）G4拉伸状态的照片和内部网络变化示意图。（f）具有扭曲和打结状态的G4照片。（g）G4的双轴拉伸图像。（h）G4在组织上展开的图像。10分钟内（i）不同水凝胶在1.0 W/cm2 NIR（808 nm）和（j）G4在1.0、1.5和2.0 W/cm2 NIR（808 nm）下的温升曲线。插图显示了水凝胶（G1-G5）的颜色差异和G4的温升图像。（k）在1.5 W/cm2 NIR（808nm）下五次开/关循环期间水凝胶的温度变化。

图3. 水凝胶即时/可调粘附性能。（a）水凝胶即时粘附的图像。（b-d）不同水凝胶在三种测试方法（180°剥离、拉伸和剪切）下的粘附测试示意图、测试曲线和粘附强度。数据表示为平均值±标准偏差（n=4，来自独立实验）。（e）水凝胶在各种条件下粘附性能变化的图像。（f）说明水凝胶分离的微观结构变化的示意图。（g）在室温或在NIR（808nm）照射下水凝胶与组织表面的粘附比较（n=4，来自独立实验）。（h）在NIR照射下水凝胶对Sprague-Dawley（SD）大鼠皮肤的可调粘附的照片。

图4. 水凝胶的生物相容性和体外抗菌和抗氧化性能的评价。L929细胞在浸出溶液中孵育1、2和3天后的（a）活力分析和（b）活/死染色结果（n=6，来自独立细胞实验）。（c）水凝胶的血液相容性：“+”和“-”分别代表阳性和阴性对照（n=3，来自独立实验）。（d）双网络水凝胶响应感染和氧化应激微环境的协同调节机制。不同水凝胶处理后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的（e）存活率以及（f）琼脂平板上的照片和SEM图像（n=3，来自独立实验）。（g-i）水凝胶对H2O2和1,1-二苯基-2-苦基肼（DPPH）的清除能力（n=3，来自独立实验）。（j）与H2O2和水凝胶孵育后细胞的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像（*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001）。

图5. 评价双网络水凝胶在体内杀灭细菌和促进伤口愈合的能力。（a）说明金黄色葡萄球菌感染伤口模型的构建和治疗过程。（b）伤口随时间的代表性图像和伤口愈合的痕迹。比例尺为2 mm。伤口愈合期间的细菌菌落（c）典型图像和（d）存活率（n=3，来自生物学上独立的样品）。（e）SD大鼠在治疗过程中的体重变化（n=3，来自生物学上独立的样品）。（f）第6天和第12天感染伤口组织的H&E和Masson染色的代表性图像（红色箭头：炎性细胞）。（g）与第0天相比的相对伤口面积的定量，以%表示。胶原沉积（h）和表皮厚度（i）的统计分析（n=3，来自生物学上独立的样品）。数据以平均值±平均值的标准误差表示。通过单因素方差分析（ANOVA）计算统计学显著性(*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001)。

结论

总之，作者通过结合化学和物理交联开发了双网络水凝胶。这种合理的设计赋予水凝胶即时/可调粘附的物理性质以及调节感染和氧化微环境的生物活性。由共价交联网络 (P(NIPAM/AM)) 暴露的极性部分使水凝胶能够在低模量下经历大变形和瞬时强粘附。这确保了伤口的及时物理闭合，并且粘附强度的温度介导的转换避免了在伤口敷料的常规移除期间二次损伤的风险。由咖啡酸改性壳聚糖和铁离子配位交联组成的非共价网络增强了水凝胶的机械性能，并扩展了水凝胶以非接触方式（NIR）调节粘附强度的策略。更重要的是，水凝胶中壳聚糖、儿茶酚基团和铁离子的存在实现了感染和氧化微环境的协同调节。体内实验验证了水凝胶的微环境调节功能显著促进了血管生成、表皮再生、胶原沉积，并最终整体改善了愈合。这种具有适当的物理和生化特性以及显著的治疗效果和应用灵活性的水凝胶有望满足感染慢性伤口管理的迫切临床需求。鉴于感染伤口模型在说明更复杂的慢性伤口方面的局限性，作者将进一步测试双网络水凝胶贴剂在严重烧伤和糖尿病伤口模型中的长期功能和可靠性，并优化脱粘速度并相应地提高微环境调节能力。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c07573

参考文献：Tissue-like Soft Dual-Network Hydrogel Patch with Instant/Tunable Adhesion and Microenvironment Modulation for Infected Wound Healing. Yan Li, Zihan Sun, Shirong Chai, Zhuo Zhang, Yang Li, Chenhui Zhu, Daidi Fan. ACS Nano. 2025, DOI: 10.1021/acsnano.5c07573.

来源：抗菌科技圈