臭氧释放自修复粘附水凝胶的抗菌特性与伤口愈合研究

作者及机构
本研究由空军军医大学西京医院药学部Shanbo Ma、Conghui Han、Xi Chen等共同完成，合作单位包括长安大学材料科学与工程学院等。研究成果发表于《Journal of Controlled Release》2025年第377卷（212-222页）。

学术背景
研究领域：本研究属于生物医用材料领域，聚焦于功能性水凝胶的设计及其在伤口愈合中的应用。臭氧（O₃）因其广谱抗菌、抗炎和免疫调节特性被广泛研究，但其低水溶性和短半衰期限制了其在长效治疗中的应用。传统臭氧疗法需多次给药（10–100 μg/ml浓度），而现有臭氧载体（如纳米粘土吸附水凝胶）的负载量和缓释能力不足。因此，开发一种能稳定负载并持续释放臭氧的水凝胶具有重要科学意义和临床价值。
研究目标：通过构建臭氧油（ozonized oil）乳液水凝胶（ozonegel），实现臭氧的36小时缓释，并验证其抗菌、抗炎及促进伤口愈合的效果。

研究流程与方法
1. 臭氧凝胶的制备与表征
- 材料合成：以两性离子单体DMAPS（3-[二甲基-[2-(2-甲基丙烯酰氧基乙基)铵基]丙烷-1-磺酸盐）为基体，蒙脱土（MMT）为超分子交联剂，通过可见光引发聚合形成水凝胶网络。臭氧油（1081 ± 37 mmol/kg）经超声乳化后嵌入水凝胶中，形成臭氧凝胶（ozonegel-x%，x为臭氧油重量比）。
- 结构分析：FTIR和核磁共振（¹H NMR、¹³C NMR）证实臭氧油的成功封装；SEM显示臭氧凝胶具有10–20 μm的多孔结构，孔隙分布均匀。
- 力学性能测试：拉伸实验表明，臭氧油含量为10%时，断裂应力达161.9 kPa；压缩测试显示水凝胶可承受80%应变并完全回弹。

1. 功能特性验证

   • 粘附性与自修复：水凝胶可粘附于皮肤、玻璃等多种表面，剪切强度为32.7 kPa（猪皮测试）；切割后12小时内自修复强度恢复47%。
     
   • 臭氧释放动力学：通过碘量法测定，臭氧凝胶在36小时内持续释放O₃和活性氧（ROS），25°C下24小时释放率为27.1%，36°C下加速至36.9%。
     

2. 生物相容性与抗菌实验

   • 细胞毒性：MTT实验显示臭氧凝胶对L929细胞无显著毒性；溶血实验证实其血液相容性良好。
     
   • 抗菌效果：对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌率分别达97.8%和93.7%（琼脂扩散法）；SEM观察到细菌结构破裂。
     

3. 体内伤口愈合评估

   • 动物模型：在小鼠全层皮肤缺损模型中，臭氧凝胶-10%组第9天伤口闭合率显著高于对照组（p < 0.01），且优于商用敷料Tegaderm™。
     
   • 组织学分析：Masson染色显示臭氧凝胶组胶原沉积量增加178%，H&E染色证实炎症反应早期增强、后期减弱（TNF-α表达调控）。
     

主要结果与逻辑关联
- 臭氧缓释机制：臭氧油通过Criegee反应固定于水凝胶中，接触伤口渗出液后逐步分解为O₃和ROS，形成双阶段释放（图4a-c）。
- 抗菌与抗炎协同：早期臭氧释放促进炎症反应（激活TNF-α），后期抑制过度炎症（CD68表达下降），加速组织修复（图8）。
- 机械性能优化：MMT与DMAPS的静电相互作用增强网络强度，但臭氧油超过20%会导致孔结构不规则（图2j），力学性能下降。

结论与价值
1. 科学价值：首次将臭氧油乳液与两性离子水凝胶结合，解决了臭氧缓释难题，为气体递送材料设计提供新思路。
2. 应用价值：臭氧凝胶兼具粘附性、自修复性和长效抗菌能力，可作为低成本伤口敷料，尤其适用于糖尿病足等慢性感染创面。

研究亮点
- 创新方法：开发了Pickering乳液乳化技术（MMT为稳定剂），实现臭氧油的高效封装（负载量91.3 mmol/kg）。
- 多模态治疗：臭氧与ROS协同抗菌，同时调控炎症微环境，突破传统敷料单一功能的局限。
- 临床转化潜力：真空包装下臭氧凝胶活性可保持6个月（图S13-S15），适合规模化生产。

其他发现
- pH响应性：碱性环境（pH 9.5）加速臭氧释放（31.2% vs 中性25.6%），提示其对感染创面（通常偏碱）的适应性。
- 导电性：水凝胶中游离钠离子赋予其导电性，未来或可整合电刺激疗法（图S8）。

（注：全文实验数据均通过ImageJ、ELISA等标准化分析，统计显著性以*p < 0.05为阈值。）