本研究发表于 International Journal of Biological Macromolecules 期刊，于2025年6月4日在线发表。论文的主要作者是来自南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、生物与制药工程学院的耿晋源和指导教师马江峰教授，以及南京中医药大学附属医院的周国伟、郭松、王高远和马超群。
本研究属于生物医用材料和伤口敷料交叉领域。慢性非愈合伤口，如糖尿病足溃疡，是临床上面临的重大挑战。理想的伤口敷料需要兼具良好的力学性能以适应身体活动部位的动态变化，强大的抗菌能力以控制感染，以及能够响应伤口微环境（如pH变化）实现智能药物释放的功能。然而，传统的敷料和现有的单网络水凝胶往往难以同时满足这些复杂需求。传统敷料在保湿、力学适配和抗感染方面存在不足，而单网络水凝胶则常常存在力学性能差、易碎裂、药物释放不可控等问题。因此，开发一种集机械适应性、抗菌性和pH响应性药物释放于一体的新型多功能水凝胶敷料，对于促进慢性伤口愈合具有重要的科学意义和临床应用价值。
本研究的目标是设计并制备一种基于葡聚糖（Dextran）的双动态网络水凝胶，利用共价希夫碱键（Schiff base）和非共价Al³⁺-羧基配位键构建协同网络结构，以期获得优异的力学性能、广谱抗菌能力和基于伤口pH变化的智能药物递送功能，为慢性皮肤伤口的治疗提供一个新型、高效的平台。
本研究流程系统而严谨，主要包含材料合成与表征、水凝胶构建与表征、性能测试及药物释放研究四大环节。
第一部分：前驱体材料的合成与表征。 研究首先制备了水凝胶的两个关键组成成分：氧化葡聚糖（Oxidized Dextran, Odex）和聚乙烯亚胺改性明胶（Polyethylenimine-modified gelatin, Pei-gel）。 1. Odex的合成：使用高碘酸钠（NaIO₄）氧化葡聚糖，将其糖环上的邻位羟基氧化为醛基。通过改变NaIO₄与葡聚糖的摩尔比，制备了理论氧化度分别为20%、50%、75%和100%的Odex样品（实际测得氧化度约为15.1%、38.1%、53.0%和69.4%）。使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振氢谱（¹H NMR）证实了醛基的成功引入（FT-IR谱图在1732 cm⁻¹处出现醛基特征峰；¹H NMR谱图中出现醛基质子峰）。 2. Pei-gel的合成：通过碳二亚胺介导的酰胺化反应，将带正电荷的聚乙烯亚胺（PEI）接枝到明胶分子上，得到阳离子化明胶（Pei-gel）。FT-IR光谱分析显示了接枝后特征吸收峰的变化，证实了反应发生。Zeta电位分析表明，改性后的Pei-gel在pH 7.4条件下带正电（电位>15 mV），而未改性的明胶带负电。采用三硝基苯磺酸（TNBS）法测定，其氨基含量为0.93 mg/mL，进一步验证了阳离子化改性的成功。
第二部分：Odex/Pei-gel/PAA复合水凝胶（简称DPA水凝胶）的构建与结构表征。 水凝胶的构建基于双动态网络机制：第一层网络由Odex的醛基与Pei-gel的氨基通过动态共价希夫碱键交联形成；第二层网络由聚丙烯酸（Polyacrylic acid， PAA）链上的羧基与三价铝离子（Al³⁺）通过动态金属配位键交联形成。具体制备过程为：将Pei-gel溶解于丙烯酸（AA）溶液中，加入保湿剂、Odex溶液、Al(NO₃)₃和引发剂过硫酸钠，于60°C水浴中反应3小时，形成最终的水凝胶。 研究对制备的水凝胶进行了全面的物理化学表征： 1. 化学结构：FT-IR分析证实了希夫碱键（-C=N-， 1520 cm⁻¹）的形成以及Al³⁺与羧基的配位（信号位于1629 cm⁻¹）。 2. 元素与价态分析：X射线光电子能谱（XPS）分析表明，加入Al³⁺后，O 1s光谱中C-O键的结合能从531.75 eV移动至532.15 eV，证明了Al³⁺与羧基氧原子发生了配位作用。 3. 微观形貌：扫描电子显微镜（SEM）观察显示，水凝胶表面呈现褶皱结构，截面为均匀多孔结构，且孔壁较厚，这种结构有利于能量耗散，从而增强力学性能。 4. 结晶状态：X射线衍射（XRD）分析显示，加入Al³⁺和形成网络后，水凝胶的结晶度降低，呈现非晶态特征，这与金属配位键和希夫碱键的形成破坏了原有组分的晶体结构有关。 5. 流变学性能：通过动态频率扫描测试水凝胶的储能模量（G‘）和损耗模量（G’‘）。在所有测试频率下，G’均大于G‘’，表明水凝胶表现为典型的粘弹性固体，其网络结构稳定。随着Odex氧化度的增加，G‘值先增后降，在理论氧化度为50%时达到最大值（32.54 kPa），表明存在一个最优的交联密度。
第三部分：水凝胶的性能测试，包括力学性能、抗菌活性和药物释放。 1. 力学性能测试：使用万能材料试验机系统研究了AA含量、Al³⁺含量、Pei-gel含量和Odex氧化度对水凝胶拉伸和压缩性能的影响。通过应力-应变曲线计算了断裂伸长率、拉伸强度、压缩强度和杨氏模量。研究确定了最佳配方：AA含量33%， Al(NO₃)₃·9H₂O用量210 mg， Pei-gel含量15%， Odex理论氧化度20%。在此条件下，DPA水凝胶展现出卓越的力学性能：断裂伸长率高达920.9 ± 1.2%，拉伸强度为0.54 ± 0.3 MPa。其优异的延展性和强度归因于双动态网络的协同作用，其中希夫碱网络提供弹性，而Al³⁺-PAA配位网络耗散能量并增强韧性。 2. 体外抗菌活性测试：采用抑菌圈法和最小抑菌浓度（MIC₉₀，即抑制90%细菌生长的最小浓度）评估了水凝胶对大肠杆菌（E. coli，革兰氏阴性菌）、表皮葡萄球菌（S. epidermidis）和腐生葡萄球菌（S. saprophyticus，后两者为革兰氏阳性菌）的抗菌效果。结果表明，DPA水凝胶对三种细菌均具有显著的抑制作用，且对革兰氏阳性菌的抑制效果略优于革兰氏阴性菌。含18% Pei-gel的水凝胶对S. epidermidis的抑菌圈直径最大（30.14 mm）。MIC₉₀值分别为：E. coli 25 mg/mL， S. epidermidis 20 mg/mL， S. saprophyticus 6 mg/mL。抗菌活性主要来源于阳离子聚合物Pei-gel，其通过破坏细菌细胞膜发挥杀菌作用。 3. 体外药物释放研究：选择中药大黄中的有效成分大黄素（Emodin）作为模型药物，将其负载于DPA水凝胶中，研究其在不同pH环境（模拟伤口不同愈合阶段的微环境：急性期pH~3.0，愈合期pH~7.4）下的释放行为。在168小时内，负载192 μg/mL大黄素的水凝胶在pH 3.0的介质中累积释放率超过90%，而在pH 7.4和9.0条件下释放较慢。这种pH响应性释放机制被解释为：在酸性条件下，PAA链上的羧基质子化，减弱了静电排斥，同时希夫碱键不稳定易水解，导致网络结构松弛，药物释放加快；而在中性或碱性条件下，网络结构更稳定，药物释放主要通过凝胶溶胀和扩散控制。 4. 药物释放动力学分析：采用零级、一级、Higuchi和Korsmeyer-Peppas模型对释放数据进行了拟合。结果表明，大黄素从DPA水凝胶中的释放最符合一级动力学模型和Korsmeyer-Peppas模型。在pH 3.0条件下，Korsmeyer-Peppas模型的扩散指数（n）在0.45-0.89之间，表明释放机制为非费克扩散（Non-Fickian diffusion），即药物释放同时受扩散和基质溶蚀/松弛过程控制。
本研究获得了一系列相互支持、逻辑递进的重要结果： 1. 成功合成并表征了关键前驱体材料：FT-IR、¹H NMR和Zeta电位数据确证了具有不同醛基含量的Odex和带正电的Pei-gel的成功制备，为构建双网络水凝胶奠定了化学基础。 2. 成功构建并表征了具有双动态网络结构的DPA水凝胶：FT-IR和XPS分析直接证明了希夫碱键和Al³⁺-羧基配位键的形成；SEM揭示了其有利于力学性能的多孔微观结构；流变学测试证实了其稳定的类固体凝胶网络特性。这些结果为后续优异的性能表现提供了结构解释。 3. 获得了卓越且可调的力学性能：通过系统优化各组分比例，DPA水凝胶实现了高达920.9%的断裂伸长率和0.54 MPa的拉伸强度，其性能远超文献中报道的许多葡聚糖基水凝胶。这一结果直接验证了双动态网络设计策略在增强水凝胶机械性能方面的有效性，使其能够适应伤口部位的动态变形而不易损坏。 4. 证明了强大的广谱抗菌能力：抑菌圈和MIC₉₀实验数据表明，DPA水凝胶对常见的伤口感染病原菌，尤其是革兰氏阳性菌，具有显著的抑制作用。MIC₉₀值低至6 mg/mL（对S. saprophyticus），表明其抗菌效力强。这归功于Pei-gel引入的阳离子抗菌机制，解决了伤口敷料抗感染的核心需求。 5. 实现了pH响应的智能药物缓释：药物释放实验数据显示，DPA水凝胶能够根据环境pH值智能调控大黄素的释放速率，在酸性伤口微环境中加速释放，在接近中性时缓慢释放。释放动力学分析进一步揭示了其释放机制。这一结果意味着该敷料能够根据伤口愈合阶段的不同pH环境，自动调节治疗药物的供给，实现“按需给药”，这对于慢性伤口复杂的愈合过程至关重要。
本研究成功开发了一种基于氧化葡聚糖、聚乙烯亚胺改性明胶、聚丙烯酸和铝离子的新型双动态网络水凝胶（DPA水凝胶）。该水凝胶集成了三大关键功能： 1. 卓越的机械性能：兼具高延展性和足够的强度，能够紧密贴合并适应身体活动部位的动态伤口，提供持久保护。 2. 有效的抗菌性能：对包括革兰氏阳性和阴性菌在内的多种常见伤口感染菌具有广谱抑制作用，有助于控制伤口感染。 3. pH响应的智能药物释放：能够响应伤口微环境的pH变化，实现治疗药物的可控、持续释放，优化治疗效果。
因此，这种多功能水凝胶敷料展现出作为慢性皮肤伤口（尤其是糖尿病足溃疡）治疗新型材料的巨大潜力。其科学价值在于提供了一种通过动态共价键和非共价键协同构建高性能、多功能水凝胶的有效策略。其应用价值在于为解决临床慢性伤口管理中的多重要求（力学适配、抗感染、智能治疗）提供了一个一体化的创新解决方案。
论文指出，尽管本研究取得了积极成果，但未来仍需进一步拓展DPA水凝胶的生物相容性相关实验（如细胞毒性、体内动物实验等），这是其迈向实际临床应用的关键步骤。此外，这种基于动态键和pH响应的设计策略，也有望扩展到其他需要按需释放和杀菌的医用材料领域。