《ACS Nano》大连医曲小辰/姜畅吗，南京医张明：可注射温敏水凝胶用于感染组织或骨的免疫调节与再生

细菌感染是临床软组织与骨修复的核心障碍。耐药菌广泛流行、局部过量活性氧堆积与免疫微环境紊乱形成恶性循环，单一功能的治疗材料往往顾此失彼，难以打破感染-炎症的持续状态。本研究开发出一款第二近红外窗口响应的温敏复合水凝胶，同步实现光热杀菌、氧化应激缓解与免疫微环境调控，在多种感染模型中验证了软组织与骨组织的协同修复效果。

研究成果以“NIR-II-Responsive Hydrogel with Integrated All-in-One Nanotherapeutics for Immunomodulation and Regeneration of Infected Tissues or Bone”（具有集成一体化纳米治疗药物的近红外二区响应水凝胶用于感染组织或骨的免疫调节与再生）为题发表在 ACS Nano，大连医科大学附属第一医院曲小辰/姜畅、南京医科大学附属口腔医院张明为其通讯作者。

曲小辰，医学博士，副主任医师。大连软组织疼痛研究学会脊柱外科专业委员会委员。擅长脊柱退变、脊柱创伤、脊柱感染、脊柱肿瘤等脊柱外科常见疾病的诊断与治疗。负责的“CT引导下脊柱病变经皮穿刺活检术”为医院临床高新技术。博士研究生毕业于北京大学第三临床医学院，累计发表英文SCI期刊论文7篇、中文统计源核心期刊论文2篇。主持国家自然科学基金1项，参与国家自然科学基金4项，主持辽宁省自然科学基金1项。曾获得北京市优秀毕业生、北京大学优秀毕业生、北京大学优秀博士学位论文、COA中青年优秀论文一等奖等荣誉和奖励。

研究创新

研究通过极化工程制备出具备强第二近红外吸收的碳量子点作为光热剂，联合超小聚多巴胺纳米粒清除活性氧、调控巨噬细胞极化，将二者负载于铜离子配位的壳聚糖温敏水凝胶中，形成杀菌、调控、再生的级联治疗体系。水凝胶具备可注射、原位成胶、组织粘附、可控降解的特性，在第二近红外激光照射下高效杀灭病原菌、破坏细菌生物膜，同时清除局部过量活性氧，诱导巨噬细胞向抗炎 M2 型转化，配合缓释的铜离子促进血管生成与骨形成，在感染性皮肤缺损、皮下脓肿与颌面部骨缺损模型中均实现了高效修复。

研究摘要

细菌感染目前已成为临床环境中软组织和骨有效修复与再生的重大障碍。由于多重抗菌耐药性、异常的炎症反应以及过度的炎症微环境，感染部位的管理面临巨大挑战。为满足软组织或骨损伤后复杂的愈合需求，设计并合成了一种免疫调节型热敏水凝胶。该复合水凝胶（CQDs@UPDA@gel）结合了作为第二近红外窗口（NIR-II）光热剂（PTAs）的碳量子点（CQDs）与作为活性氧（ROS）清除剂和免疫调节剂的超小聚多巴胺纳米粒子（UPDA NPs），并将其嵌入至与Cu2+配位的壳聚糖基质中，从而增强了水凝胶良好的溶胀性能和稳定的流变特性。这种协同策略同时抑制了细菌感染并改变了免疫抑制微环境，从而促进了软组织或骨的协调再生。体内研究表明，在NIR-II激光照射下，该水凝胶能够促进软组织或骨的再生，用于治疗感染性伤口、皮下脓肿以及颌面部感染性骨缺损。总体而言，本项目提供了一种通用策略，用于构建既能根除病原体又能调节免疫微环境的多功能水凝胶，以支持复杂的软组织或骨感染的修复。

设计思路

临床感染性组织修复需要同时应对病原菌清除、氧化应激缓解、免疫微环境改善与组织再生多重需求，单一功能材料无法打破感染引发的恶性循环。研究团队从治疗的时间逻辑出发，构思了杀菌、调控、再生依次推进的级联治疗路径。光热治疗无需抗生素，可避免耐药风险，研究选择生物相容性优异的碳量子点，通过极化工程优化其第二近红外波段的吸收能力，提升深层组织的光热杀菌效率。针对感染局部过量 ROS 与促炎免疫状态，研究选用超小聚多巴胺纳米粒，相比常规聚多巴胺具备更强的抗氧化能力与肾代谢安全性，可通过清除 ROS、调控巨噬细胞极化改善修复微环境。载体选择壳聚糖与铜离子配位形成的温敏水凝胶，可在液态下注射，进入体内后随体温升高原位成胶，适配不规则缺损轮廓，同时通过缓释铜离子发挥促血管生成与成骨作用，搭配三维多孔结构为组织再生提供支架支撑。整个研究从材料合成与理化表征入手，逐步验证体外抗菌、抗氧化、免疫调控与成血管成骨功能，再通过三种体内感染模型验证治疗效果，形成从材料设计到功能验证的完整闭环。

UPDA、CQDs@UPDA NPs、CQDs@UPDA@gel的合成路线和凝胶形成方法以及CQDs@UPDA@gel在软组织/骨感染组织再生机制中应用的示意图路线。

图文内容

复合水凝胶成功构建，理化性能满足应用需求

要验证材料体系的成功合成与基础理化特性，才能为后续功能实验提供可靠前提。研究先通过超声辅助液相剥离法制备超小聚多巴胺，再经水热法合成碳量子点，二者通过纳米沉淀法自组装形成核壳结构的复合纳米粒，最终与铜离子配位的壳聚糖基质混合，得到可注射的温敏水凝胶。电镜、光谱与粒径表征证实各组分成功合成，复合纳米粒粒径均一，水溶液中可稳定存放两周以上。水凝胶呈现疏松多孔的三维网络结构，功能纳米粒与铜元素均匀分散，具备良好的组织粘附性与弹性力学性能，铜离子可缓慢释放，36 小时左右达到释放平台，为后续体内应用提供了稳定的理化基础。

Figure 1、UPDA 的代表性透射电镜图像。B）UPDA 纳米粒的傅里叶变换红外光谱图。C）UPDA 的 X 射线衍射图谱。D）CQDs 的代表性透射电镜图像。E）CQDs 的傅里叶变换红外光谱图。F）CQDs 中 N 1s 的高分辨 X 射线光电子能谱扫描。G）CQDs 中 O 1s 的高分辨 X 射线光电子能谱扫描。H）CQDs@UPDA 的粒径分布图，插图为其代表性透射电镜图像。I）UPDA、CQDs 纳米粒与 CQDs@UPDA 纳米粒的紫外-可见吸收光谱。J）空白凝胶与 CQDs@UPDA@gel 的代表性扫描电镜图像。K）CQDs@UPDA@gel 的代表性扫描电镜图像与元素映射图。L）空白凝胶与 CQDs@UPDA@gel 的搭接剪切强度。M）储能模量与损耗模量随角频率变化曲线。N）CQDs@UPDA@gel 在 PBS 中的铜离子释放曲线。

NIR-II 下光热转化高效，稳定性与穿透性表现优异

光热效应是体系抗菌的核心驱动力，需要验证水凝胶状态下的光热效率、稳定性与组织穿透能力，才能评估其体内应用潜力。测试显示水凝胶的升温幅度与激光功率、材料浓度正相关，980 nm 激光照射下光热转化效率可达 54.5%，升温效果主要来自碳量子点组分，超小聚多巴胺在该波段贡献有限。经过 4 次升温和冷却循环后，水凝胶的光热性能无明显衰减，远优于传统有机光热剂吲哚菁绿，后者会出现严重的光漂白。透过鸡胸组织的测试证实，980 nm 激光可穿透组织有效加热水凝胶，证明第二近红外波段具备深层感染治疗的能力。

Figure 2、A）不同功率 980 nm 激光照射下 CQDs@UPDA@gel 的升温曲线。B）0.8 W/cm² 功率下 UPDA、CQDs 与 CQDs@UPDA@gel 的升温曲线。C）4 次循环照射冷却后 CQDs@UPDA@gel 的温度变化。D）4 次循环照射冷却后吲哚菁绿（ICG）的温度变化。E）0.8 W/cm² 980 nm 激光照射下 CQDs@UPDA@gel 的光热转化效率。F）穿透不同厚度鸡胸组织后 CQDs@UPDA@gel 的升温曲线。G）不同浓度 CQDs@UPDA@gel 经 980 nm 激光照射后，对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的代表性菌落图及 SYTO 9 染色活菌成像。H）细菌存活率与死亡率统计。I）不同浓度 CQDs@UPDA@gel 处理后大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的扫描电镜图像。J）不同处理后的细菌蛋白泄漏量。K）不同浓度 CQDs@UPDA@gel 处理后的结晶紫染色与活菌 / 死菌染色图。L）生物膜清除率定量分析。

光热激活后杀菌彻底，可有效清除细菌生物膜

验证材料的抗菌能力是感染治疗的基础，需要明确杀菌效率与作用机制，以及对细菌生物膜的清除效果。实验显示，在 980 nm 激光照射下，当复合纳米粒浓度达到 100 μg/mL 时，水凝胶对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的杀菌率可达 100%。无激光照射时抗菌效果微弱，证实杀菌作用主要来自光热效应。光热处理会破坏细菌细胞膜完整性，造成胞内蛋白大量泄漏，且蛋白泄漏量呈浓度依赖性。针对成熟细菌生物膜，该处理可清除约 85% 的生物膜，高浓度下几乎完全杀灭膜内活菌，同时上调抑制生物膜形成的关键基因表达，从分子层面阻碍生物膜生成。

ROS 清除能力明确，材料生物相容性与降解性良好

感染微环境中过量活性氧会阻碍组织修复，验证材料的抗氧化能力与生物安全性是后续体内实验的前提。测试显示复合水凝胶可有效清除 ABTS 自由基、过氧化氢、超氧阴离子与羟基自由基，15 分钟内可累积释放 10.8 mg/mL 氧气，具备类超氧化物歧化酶与过氧化氢酶的活性。溶血实验显示材料溶血率远低于 5% 的安全阈值，对成纤维细胞无明显细胞毒性。纳米粒与水凝胶均可在体内逐步降解，28 天左右皮下植入的水凝胶基本被代谢，主要脏器无病理损伤，血清肝肾功能指标无异常，铜离子与碳量子点主要经肾脏排泄，无长期器官蓄积，证实材料具备良好的体内生物安全性。

Figure 3、A）CQDs@UPDA@gel 清除自由基的机制示意图。B）不同材料在不同时间点对总自由基的清除效果。C）不同材料与过氧化氢共孵育后的产氧量。D）不同材料对过氧化氢、超氧阴离子与羟基自由基的清除能力。E）CQDs@UPDA@gel 体内生物降解过程图像。F）正常皮肤组织与水凝胶降解后皮肤组织的 H&E 染色及免疫组化分析。G）流式细胞术检测不同处理后巨噬细胞 CD86 与 CD206 的表达水平。H）不同处理后 RAW264.7 细胞基因的火山图分析。I）不同处理后 RAW264.7 细胞基因的韦恩图。J）差异表达基因的聚类分析展示基因表达模式。K）不同处理后差异基因的 KEGG 通路分析。L）差异基因的 GO 富集分析（点图）。

调控巨噬细胞极化，从转录层面改善炎症免疫通路

感染部位的免疫微环境直接决定修复结局，需要明确材料对巨噬细胞极化的调控作用与分子机制。细胞实验显示，脂多糖诱导的巨噬细胞会向促炎 M1 型极化，加入水凝胶后可显著降低 M1 型比例，提升抗炎 M2 型比例，其中超小聚多巴胺是发挥免疫调控的核心组分。转录组分析发现，材料处理可逆转脂多糖诱导的基因表达异常，核心调控 12 个关键基因，抑制白介素 6、CD86 等促炎基因表达，上调转化生长因子 β、过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 等免疫调节与代谢相关基因。富集分析显示差异基因主要参与破骨细胞分化、VEGF 信号通路、Toll 样受体信号通路等关键通路，证实材料可在转录层面调控炎症反应与免疫细胞功能。

促进细胞迁移与血管生成，逆转炎症介导的成骨抑制

组织修复离不开细胞迁移、血管新生与骨组织形成，需要验证材料对相关细胞功能的影响。划痕实验显示水凝胶可显著促进成纤维细胞与内皮细胞的迁移，体外成管实验证实其具备促血管生成能力，这一效应与缓释的铜离子激活相关信号通路有关。针对炎症环境下的成骨抑制，水凝胶可逆转脂多糖或细菌上清对骨髓间充质干细胞成骨分化的抑制作用，提升碱性磷酸酶活性与钙结节形成水平，上调 Runx2、骨桥蛋白等成骨关键基因表达。整体来看，材料可通过改善免疫微环境与直接生化刺激，协同发挥促血管生成与成骨分化的作用。

Figure 4、不同处理组 L929 细胞的划痕迁移代表性图像。B）不同处理组小鼠主动脉内皮细胞的划痕迁移代表性图像。C）不同处理组小鼠主动脉内皮细胞 48 小时的成管代表性图像。D）不同实验组骨髓间充质干细胞来源成骨细胞的碱性磷酸酶与茜素红 S 酶活多尺度。E）不同实验组骨髓间充质干细胞来源成骨细胞的碱性磷酸酶与茜素红 S 酶活多尺度成像。F）与 M1 细胞上清共培养的碱性磷酸酶酶活半定量分析。G）与细菌上清共培养的碱性磷酸酶酶活半定量分析。H）CQDs@UPDA@gel 促进成骨细胞分化、抑制破骨细胞形成的机制示意图。

感染皮肤创面愈合加速，多机制协同促进修复

研究选取临床常见的感染性全层皮肤缺损模型，在动物层面验证整体治疗效果。实验构建了小鼠颌面部金黄色葡萄球菌感染创面，水凝胶在激光照射下可快速升温至 48℃，有效杀灭创面细菌。治疗 6 天后，联合治疗组创面愈合速度显著快于对照组，创面细菌完全清除。组织学检测显示，治疗组创面活性氧水平显著降低，巨噬细胞向 M2 型极化，促炎因子表达下调，抗炎因子与血管内皮标志物表达升高，胶原沉积更致密有序，新生血管结构成熟，证实水凝胶通过杀菌、抗氧化、免疫调控与促血管生成的协同作用，加速感染创面的愈合。

Figure 5、A）治疗监测的实验设计时间线。B）980 nm 激光照射（0.8 W/cm²，10 分钟）后不同处理小鼠的代表性热成像图与光热温度曲线。C）不同处理后第 1、3、5、6 天创面收缩的代表性照片与示意图。D）全层皮肤缺损模型中不同处理小鼠的创面面积变化。E）组织切片的活性氧荧光染色图像。F）荧光强度定量分析。G）组织切片的 CD86/CD206 荧光染色图像。H）H&E、Masson、TNF-α、IL-6、TGF-β、IL-10 与 CD31 的代表性染色图像。I）CQDs@UPDA@gel 促进金黄色葡萄球菌感染创面愈合过程的示意图。

深层皮下脓肿有效清除，炎症缓解与组织修复同步

浅表创面的疗效得到验证后，研究进一步评估材料对深层感染的治疗能力，皮下脓肿是临床常见的深部软组织感染类型。实验构建了小鼠颌面部金黄色葡萄球菌皮下脓肿模型，水凝胶可注射进入脓肿部位，980 nm 激光照射下脓肿区域温度可达 47℃，实现深层光热杀菌。治疗 4 天后，联合治疗组脓肿基本消退，脓液完全消失，皮下细菌存活率降低 90% 以上。组织学检测显示脓肿部位炎症细胞浸润显著减少，胶原沉积增加，促炎因子表达下调、抗炎因子表达上调，证实水凝胶可有效治疗深部皮下感染，控制感染的同时改善局部微环境，促进脓肿部位的组织修复。

Figure 6、A）治疗监测的实验设计时间线。B）不同处理后小鼠的代表性热成像图与光热温度曲线（0.8 W/cm²，10 分钟）。C）不同处理后第 1、2、3、4 天皮下脓肿的代表性照片与示意图。D）第 4 天皮下渗出物的细菌菌落图。E）全层皮肤缺损模型中不同处理组小鼠皮下脓肿的细菌存活率。F）皮下脓肿模型中不同处理组小鼠的体重变化。G）不同处理后 H&E、Masson、TNF-α、TGF-β 与 IL-10 的代表性染色图像。H）CQDs@UPDA@gel 促进金黄色葡萄球菌感染皮下脓肿愈合过程的示意图。

感染性骨缺损高效修复，成骨与成血管协同作用

体系在感染性骨缺损中的修复效果是本研究的核心临床目标之一，研究通过大鼠颅骨金黄色葡萄球菌感染性临界骨缺损模型完成了体内验证。水凝胶填充缺损后，激光照射下局部温度可达 48.3℃。8 周后，联合治疗组骨缺损区域新生骨组织覆盖率达 60%，骨体积分数与骨密度显著高于对照组。革兰氏染色证实缺损部位无残留细菌感染，组织学与免疫组化显示治疗组成骨标志物、血管内皮标志物表达显著升高，促炎因子降低、抗炎因子升高，转录组分析证实治疗激活了 VEGF、TGF-β 等成骨与血管生成相关通路。结果表明水凝胶可在清除骨感染的同时，通过免疫调控与生化诱导促进血管新生与骨组织再生，实现感染状态下的骨缺损修复。

Figure 7、A）治疗监测的实验设计时间线。B）术后 4 周与 8 周各组代表性的冠状面/矢状面显微 CT 重建图。C）不同处理后革兰氏染色、H&E、Masson、TNF-α、IFN-γ、IL-10 与 TGF-β 的代表性免疫组化染色图像。D）术后 8 周缺损区域 I 型胶原染色（绿色）、碱性磷酸酶染色（红色）与 DAPI 核染色（蓝色）的免疫荧光共定位图像。E）不同处理后 CD31 的代表性免疫组化染色图像。F）不同处理后 PECAM1、KDR、FGF2 与 ANGPT2 的基因表达水平。G）不同处理后骨钙素的代表性免疫组化染色图像。H）CQDs@UPDA@gel 促进金黄色葡萄球菌感染骨缺损再生过程的示意图。

文献信息

NIR-II-Responsive Hydrogel with Integrated All-in-One Nanotherapeutics for Immunomodulation and Regeneration of Infected Tissues or Bone

Peilong Jiang, Zhurun Fang, Jinyu Li, Jing Wu, Xiaolong Zhu, Chang Jiang, Ming Zhang, Xiaochen Qu

ACS Nano June5,2026

https://doi.org/10.1021/acsnano.6c08281