金属有机笼基催化复合水凝胶用于增强伤口愈合：Zr-MOC/壳聚糖复合水凝胶的抗菌与再生效应

作者及机构
本研究由Jie Song（青岛科技大学化工学院生态化工工程国家重点实验室）、Haozhi Sun、Lixia Pan、Dandan Wang、Jinjun Wang（青岛市中医医院）和Feng Su（通讯作者，青岛科技大学）合作完成，发表于*International Journal of Biological Macromolecules*（2025年1月，卷301，文章编号139851）。

学术背景
慢性伤口因感染风险高、愈合周期长，对全球医疗系统构成重大负担。传统敷料（如纱布、水胶体）在抗菌性和促进组织再生方面存在局限。水凝胶因其生物相容性和保湿能力成为研究热点，但纯多糖水凝胶机械强度不足且抗菌性能有限。金属有机笼（Metal-Organic Cages, MOCs）因其可调控的孔隙结构和催化活性，被用于增强水凝胶功能。本研究首次将锆基金属有机笼（Zr-MOC）与壳聚糖（Chitosan, CS）通过二苯甲醛功能化聚乙二醇（DF-PEG）交联，开发了一种兼具抗菌和促愈合功能的复合水凝胶（Zr-MOC/CS），旨在解决伤口感染和再生协同治疗的难题。

研究流程
1. 材料合成与表征
- Zr-MOC制备：以2-氨基对苯二甲酸和二氯二茂锆为原料，在N,N-二甲基乙酰胺中60℃反应10小时，获得黄色立方晶体。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）验证其结构。
- 水凝胶构建：将Zr-MOC（2 mg/mL）与3%壳聚糖溶液混合，以DF-PEG为交联剂，50秒内形成凝胶。对照组为纯壳聚糖水凝胶。

1. 催化活性测试

   • 类过氧化物酶活性：以TMB和ABTS为底物，紫外-可见光谱检测Zr-MOC在H₂O₂存在下生成羟基自由基（·OH）的能力。结果显示，Zr-MOC浓度与催化活性呈正相关（5–100 μg/mL），水凝胶质量与活性成正比（1–5 mg）。
     

2. 抗菌性能评估

   • 体外实验：通过抑菌圈实验验证Zr-MOC/CS对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制效果。12小时后抑菌圈直径分别为1.64±0.08 cm和1.68±0.09 cm，显著优于纯壳聚糖组。
     
   • 最小抑菌浓度（MIC）：Zr-MOC在0.2 mg/mL时即可抑制细菌生长，1.5–2 mg/mL实现完全杀菌。
     

3. 生物相容性分析

   • 细胞毒性：MTT实验显示，Zr-MOC/CS对L929成纤维细胞的存活率>95%，AO/PI染色证实无细胞凋亡。
     
   • 溶血率：低于2%，符合医用标准（USP）。
     

4. 体内伤口愈合实验

   • 小鼠感染模型：背部创面接种S. aureus后，分别用PBS、CS水凝胶、Zr-MOC/CS等处理。第15天，Zr-MOC/CS组细菌载量最低（6.3×10⁴ CFU/mL），伤口闭合率显著高于对照组。
     
   • 组织学分析：H&E和Masson染色显示，Zr-MOC/CS组肉芽组织密度高，胶原排列有序；免疫组化证实其TNF-α表达最低（0.39±0.04），VEGF表达最高（2.97±0.31），提示抗炎与促血管生成协同作用。
     

主要结果与逻辑关联
- 催化-抗菌联动：Zr-MOC将痕量H₂O₂转化为·OH，提供持续抗菌活性，弥补了传统抗生素的耐药性问题。
- 机械性能优化：Zr-MOC使水凝胶储能模量（G′）提升20%，压缩强度提高15%，适合高渗出伤口。
- 体内外协同验证：体外抗菌数据支持体内感染模型的快速愈合，组织学结果进一步证实其促再生机制。

结论与价值
1. 科学价值：首次将Zr-MOC引入水凝胶体系，阐明了其类酶催化机制与抗菌-再生双功能协同原理。
2. 应用价值：为慢性伤口治疗提供了免抗生素方案，临床转化潜力显著。全球伤口护理市场预计2027年达187亿美元，此技术可填补现有产品空白。

研究亮点
1. 创新性材料设计：Zr-MOC/CS水凝胶结合了金属有机笼的催化特性和壳聚糖的生物相容性。
2. 多模态功能验证：从分子水平（XPS、MS）到动物模型，全面验证材料性能。
3. 临床适配性：低Zr释放量（2.79 mg/L）确保长期安全性，符合医疗器械标准。

其他价值
研究还发现，通过调节壳聚糖浓度（1%–3%）可调控水凝胶孔径，进而优化催化速率（1% CS时达4.15 μmol/min），为个性化治疗提供参数依据。