针对细菌激活巨噬细胞膜包裹的高强度纳米复合水凝胶用于靶向光热抗菌及感染伤口愈合研究的学术报告
本研究由天津大学材料科学与工程学院、天津市复合材料与功能材料重点实验室的Jia Li, Yanjie Wang, Jianhai Yang*（通讯作者）和Wenguang Liu*（通讯作者）共同完成。研究成果以题为“Bacteria activated-macrophage membrane-coated tough nanocomposite hydrogel with targeted photothermal antibacterial ability for infected wound healing”的论文形式，发表于期刊《Chemical Engineering Journal》第420卷（2021年），文章号为127638，并于2020年11月5日在线发表。
一、 研究背景与目的
本研究隶属于生物医用材料与组织工程交叉学科领域，具体聚焦于开发新型抗菌伤口敷料。细菌感染，尤其是耐药菌感染，已成为严重威胁人类生命安全的全球性公共卫生问题。传统抗生素疗法因滥用导致的细菌耐药性而日益失效。因此，开发不依赖抗生素的新型抗菌材料迫在眉睫。水凝胶因其高含水量、良好的生物相容性和类似于细胞外基质（Extracellular Matrix， ECM）的结构特性，作为伤口敷料在促进感染伤口愈合方面展现出巨大潜力。然而，现有抗菌水凝胶普遍面临两大挑战：一是机械性能（如强度和韧性）较弱，导致其从创面剥离时可能造成二次损伤，并且难以作为承重支架使用；二是缺乏广谱抗菌能力与特异性识别细菌功能的结合，导致抗菌效率有限且可能对正常组织造成附带伤害。
针对上述挑战，本研究旨在开发一种兼具高强度、靶向识别和高效光热抗菌能力的多功能纳米复合水凝胶。研究团队巧妙地将两种策略相结合：一方面，利用前期开发的基于强氢键作用的超分子聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)（Poly(N-acryloyl glycinamide), PNAGA）水凝胶体系作为基础，以赋予材料优异的力学性能；另一方面，引入经特定细菌预处理的巨噬细胞膜涂层和聚多巴胺包覆的金纳米棒（Polydopamine-coated Gold Nanorods, Au@PDA NRs）。巨噬细胞膜经细菌激活后，其表面会高表达针对该种细菌的特异性受体，从而赋予材料“智能”靶向识别和结合特定病原菌的能力。而Au@PDA NRs作为高效的光热转换剂，在近红外光（Near-Infrared, NIR）照射下可产生局部高热，物理性地杀死被靶向捕获的细菌，此方法不易引发细菌耐药性。通过将这两种功能整合到坚韧的PNAGA水凝胶网络中，本研究期望获得一种能够特异性识别并高效杀灭目标细菌、促进伤口愈合、且易于安全移除的理想伤口敷料候选材料。
二、 研究流程与方法
本研究包含一系列严谨且相互关联的实验步骤，主要流程可概括为材料制备与表征、力学性能评估、光热效应验证、体外靶向抗菌活性测试、生物相容性评估以及体内伤口愈合效果评价。
1. 功能纳米颗粒与细胞膜囊泡的制备 首先，采用经典的种子介导生长法合成了金纳米棒（Au NRs），其纵向表面等离子体共振吸收峰位于790 nm附近，适合于近红外光热治疗。随后，通过多巴胺在碱性条件下的原位聚合，在Au NRs表面包覆一层聚多巴胺（PDA）壳层，形成Au@PDA NRs。透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）图像清晰显示了核壳结构，紫外-可见吸收光谱显示吸收峰红移至800 nm，X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）证实了PDA的成功包覆。 其次，制备细菌激活的巨噬细胞膜囊泡。将RAW 264.7巨噬细胞分别与大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）或金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）共孵育3小时以激活细胞。随后通过细胞裂解、差速离心等步骤收集并纯化细胞膜片段，分别得到E. coli激活的巨噬细胞膜（EMM）和S. aureus激活的巨噬细胞膜（SMM），以及未经处理的巨噬细胞膜（MM）。
2. 纳米复合水凝胶的制备与表征 通过一锅法热聚合制备PNAGA-Au@PDA纳米复合水凝胶。将N-丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA）单体和不同浓度的Au@PDA NRs分散于水中，加入引发剂过硫酸铵（APS），在60°C下聚合12小时。将得到的水凝胶浸泡在分散有上述不同巨噬细胞膜囊泡的溶液中，最终获得三种涂层的水凝胶：MM-PNAGA-Au@PDA、EMM-PNAGA-Au@PDA和SMM-PNAGA-Au@PDA。 利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察水凝胶的微观结构，PNAGA-Au@PDA水凝胶呈现多孔结构，而涂层后的水凝胶表面被膜碎片覆盖。XPS分析在SMM-PNAGA-Au@PDA水凝胶表面检测到了来自巨噬细胞膜磷脂层的磷元素信号，证实了膜的成功涂覆。
3. 力学性能测试 使用万能材料试验机对水凝胶进行了系统的力学性能测试，包括拉伸、压缩和撕裂测试。测试对象为不同NAGA单体浓度（20%， 25%， 30%）和不同Au@PDA NRs含量（以1，2，3表示不同浓度）的水凝胶样品，每个条件至少测试三个样本。 结果表明，PNAGA水凝胶本身已具备可调的力学性能（如拉伸强度0.417-1.322 MPa）。引入Au@PDA NRs后，由于PNAGA分子链与PDA壳层之间额外的氢键和π-π堆积等非共价相互作用，水凝胶的力学性能得到显著增强。例如，PNAGA-Au@PDA-30-1水凝胶的拉伸强度达到1.643 MPa，压缩强度高达12.490 MPa，断裂能为3254 J m⁻²。这些性能指标接近人体上皮组织，且水凝胶展现出良好的弹性和自恢复能力，能够承受大应变拉伸、压缩而不易被刀片切断，这是其作为伤口敷料避免二次损伤的关键基础。
4. 光热效应评估 在体外，将SMM-PNAGA-Au@PDA水凝胶置于石英比色皿中，用808 nm近红外激光（不同功率密度）照射，使用红外热像仪记录温度变化。结果表明，不含Au@PDA的SMM-PNAGA水凝胶温度几乎无变化，而含Au@PDA的水凝胶温度迅速上升。温度升高幅度与Au@PDA浓度和激光功率密度正相关。在2 W cm⁻²照射5分钟后，SMM-PNAGA-Au@PDA-30-1水凝胶温度可从28.7°C升至65.4°C，此温度足以使细菌蛋白变性失活。经过三个激光开/关循环，水凝胶的光热性能保持稳定，显示了良好的可重复性。 在体内，将水凝胶植入大鼠皮下，进行近红外照射。红外热成像显示，植入SMM-PNAGA-Au@PDA-30-1水凝胶的区域在5分钟内温度升至约63°C，而对照组无明显温升，证实了该水凝胶在活体内的有效光热转换能力。
5. 体外靶向抗菌活性研究 以E. coli（革兰氏阴性菌）和S. aureus（革兰氏阳性菌）为模型细菌，评估了不同水凝胶的抗菌性能。实验分组细致，包括不同涂层（无膜、MM、EMM、SMM）和不同处理（有/无NIR照射）的对比。将水凝胶与细菌悬液共孵育30分钟后，对部分组进行808 nm激光（2 W cm⁻²）照射5分钟。 细菌活力检测结果显示：无NIR照射时，所有水凝胶组均无显著抗菌活性。有NIR照射时，仅含Au@PDA但无特异性膜涂层的PNGA-Au@PDA水凝胶对两种细菌的杀灭率约为50-52%；涂有未激活巨噬细胞膜（MM）的水凝胶，由于膜的一般性黏附作用，杀灭率提高至约72-74%。最关键的结果是：经E. coli激活的膜涂层水凝胶（EMM-PNAGA-Au@PDA + NIR）对E. coli的杀灭率达到惊人的98.4%，但对S. aureus的杀灭率仅为75.1%；反之，SMM-PNAGA-Au@PDA + NIR对S. aureus的杀灭率为97.6%，对E. coli的杀灭率为76.3%。这清晰地证明了细菌激活的巨噬细胞膜赋予了水凝胶对同源细菌的特异性靶向结合与增强杀灭能力。活死染色荧光显微镜图像和扫描电镜观察进一步佐证了这些结果：在靶向光热处理组中，细菌几乎全部被杀死（红色荧光），且细菌形态出现严重的皱缩和膜破裂；而其他对照组细菌形态完整。
6. 生物相容性与体内伤口愈合评价 通过MTT法检测水凝胶浸提液对小鼠成纤维细胞（L929）的细胞毒性，结果显示所有实验组细胞存活率均高于85%，表明材料具有良好的细胞相容性。 在大鼠背部建立全层皮肤缺损并感染S. aureus的伤口模型，将动物分为5组：空白对照组、纱布组、SMM-PNAGA水凝胶组、SMM-PNAGA-Au@PDA水凝胶组（无激光）、SMM-PNAGA-Au@PDA水凝胶组（有激光）。定期更换敷料，记录伤口面积，并在预设时间点采集血液进行白细胞和中性粒细胞计数，以评估全身感染情况。12天后处死动物，取愈合组织进行苏木精-伊红（H&E）染色和马松三色（Masson’s Trichrome, MTC）染色，观察组织再生和胶原沉积情况。 结果显示：SMM-PNAGA-Au@PDA + NIR组展现出最佳的愈合效果。该组伤口在早期（3天）即无明显化脓感染，愈合速率最快，第12天时伤口闭合率达84.7%，显著高于其他各组。血液学分析显示该组白细胞和中性粒细胞水平最快恢复正常，表明其能有效控制局部感染，防止其全身化。组织学切片显示，该组伤口形成了最完整、成熟的上皮层，且胶原纤维排列更致密、有序。此外，得益于水凝胶的高韧性，将其从创面剥离时未观察到粘连和二次损伤。重要器官的H&E染色未发现明显病理变化，证实了材料的体内生物安全性。
三、 研究结果与逻辑关联
本研究的结果环环相扣，逻辑严谨。首先，成功的材料合成与表征（Au@PDA NRs、细菌激活膜、复合水凝胶）为后续功能研究提供了物质基础。力学性能测试证明了该水凝胶具备作为承重敷料所需的高强度和韧性，解决了传统水凝胶机械性能差的痛点。体外光热实验不仅验证了Au@PDA NRs高效且稳定的光热转换能力，还确定了有效的杀菌温度参数（>50°C）和优化的照射条件（2 W cm⁻², 5 min），为抗菌实验提供了关键参数。最核心的体外抗菌结果，通过精妙的对照实验设计，无可辩驳地证实了“细菌激活的巨噬细胞膜涂层”是实现靶向性抗菌的关键：它不仅能通过一般性黏附提高细菌捕获率（MM涂层 vs. 无涂层），更能通过特异性受体结合，将光热杀伤力“精准导向”同源细菌（EMM涂层对E. coli vs. 对S. aureus；SMM涂层对S. aureus vs. 对E. coli）。这一结果为体内应用奠定了原理性基础。生物相容性数据确保了材料应用的安全性前提。最终的体内伤口愈合实验，则是将所有优势整合后的“系统验收”：在高强度基底保证无损剥离、特异性膜涂层实现精准靶向、光热效应提供高效物理杀菌的协同作用下，水凝胶在复杂的活体感染环境中取得了显著优于所有对照组的促愈合效果，并得到了宏观愈合率、血液学指标和组织病理学等多个层面的证据支持。
四、 研究结论与价值
本研究成功开发了一种基于细菌激活巨噬细胞膜涂层的、高强度纳米复合水凝胶（E/SMM-PNAGA-Au@PDA）。该材料集高强度韧性、特异性细菌识别、高效广谱光热杀菌、良好生物相容性及促伤口愈合能力于一体。 其科学价值在于：1) 提出并验证了一种将“生物靶向识别”（细菌激活的巨噬细胞膜）与“物理杀菌手段”（光热疗法）及“力学增强结构”（超分子氢键水凝胶）三者创新性集成的设计策略；2) 揭示了这种整合策略在增强抗菌特异性与效率方面的协同作用机制；3) 为克服细菌耐药性和开发智能响应型抗菌材料提供了新的思路和材料平台。 其应用价值巨大：该水凝胶作为一种高性能的伤口敷料，有望用于治疗多种细菌（尤其是耐药菌）引起的皮肤及软组织感染，并能避免更换敷料时的二次创伤。此外，其优异的力学性能也使其在人工皮肤、承重组织工程支架等领域具有潜在应用前景。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
研究还展示了该水凝胶在PBS、生理盐水等溶液中良好的尺寸稳定性（不溶胀），这对于维持敷料在伤口上的形状和性能至关重要。此外，补充材料中可能包含的更多表征数据（如TGA、溶胀率测定等）和视频（展示水凝胶无损剥离）进一步丰富了研究的证据链和展示效果。文章末尾对竞争性利益的声明和对资助机构的致谢，体现了研究的规范性和透明度。