本研究是一项针对生物材料领域细菌感染治疗难题所开展的原创性研究，发表题为“Biodegradable PLGA/dextran-CHO/amikacin scaffold for on-demand antibacterial activity and accelerated wound healing”的论文。通讯作者为南京师范大学的刘平胜教授（Pingsheng Liu），第一作者为刘培明（Peiming Liu）和王泽一（Zeyi Wang），研究团队主要来自南京师范大学、常州工学院、常州药物研究所和常州大学。该研究于2025年10月在线发表于《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》 期刊第258卷，编号115211。以下是对该项研究的详细介绍。
一、 研究背景与目标
本研究的核心科学领域是生物医学工程和组织工程，特别是具有刺激响应功能的智能生物材料。临床中，植入式生物材料和器械的细菌感染是一个重大挑战。抗生素是主要治疗手段，但高剂量全身给药会导致严重副作用（如氨基糖苷类药物的耳毒性和肾毒性），而亚抑制剂量则无法有效防止生物膜形成。因此，开发一种能够根据感染情况“按需”释放抗生素、同时促进组织再生的新型材料具有迫切需求。
基于此背景，研究团队提出了具体的研究目标：构建一种新型的可生物降解复合支架，该支架需具备以下功能：1) 能够响应细菌感染产生的酸性微环境，智能、按需地释放抗生素（本研究选用阿米卡星，Amikacin）；2) 能够持续递送促进伤口愈合的生长因子（如表皮生长因子EGF）；3) 材料本身具有良好的生物相容性和可控的降解性能，以支持组织再生过程。研究旨在通过这种集成了抗菌与促愈双重功能的智能支架，为解决感染性伤口愈合的难题提供一种创新方案。
二、 详细研究流程
本研究流程设计严谨，涵盖材料制备、表征、体外性能评估和体内动物实验四个主要阶段，每个阶段包含多个具体步骤和实验方法。
第一阶段：材料制备与基本表征 1. 合成关键组分——氧化葡聚糖 (Dextran Aldehyde, Dex-CHO)：采用高碘酸钠氧化葡聚糖（40 kDa），通过滴定法测定其氧化度约为40%。这为后续通过希夫碱(Schiff base)反应交联奠定了基础。 2. 制备Dex-CHO/Amikacin (DA)水凝胶：将不同浓度（1.00, 1.67, 2.50, 3.33 wt%）的阿米卡星与固定浓度（8.33 wt%）的Dex-CHO溶液混合，并用NaOH调节pH至9，通过希夫碱反应快速（10分钟内）形成水凝胶。研究考察了不同阿米卡星含量对水凝胶性能的影响，并分别命名为DA-1.00至DA-3.33。 3. 评估DA水凝胶的基本性能： * 溶胀比：在pH 7.4的PBS中测试，发现DA-1.00溶胀比最高（约14倍），而阿米卡星浓度为1.67%及以上时，溶胀比趋于稳定，表明交联密度达到平衡。 * 体外降解：在pH 7.4的PBS中持续观察98天，发现阿米卡星含量越高（即交联密度越高），水凝胶降解越慢。这初步验证了材料具备可持续降解的特性。 * 体外抗菌活性：针对金黄色葡萄球菌 (S. aureus，革兰氏阳性菌) 和大肠杆菌 (E. coli，革兰氏阴性菌) 进行抗菌测试。结果显示，所有DA水凝胶均表现出显著的抗菌效果，且呈浓度依赖性。综合考虑抗菌效果和潜在毒性，选取DA-2.50（能近乎完全杀灭两种细菌）进行后续研究。 * 形态与pH响应性：扫描电镜显示DA-2.50水凝胶具有均匀多孔结构（孔径40-80 μm）。实验证实该水凝胶具有pH响应性和可注射性，在酸性环境下降解加快，并能通过注射器轻松塑形。
第二阶段：复合支架 (PDAS) 的构建与表征 1. 构建PLGA/Dex-CHO/Amikacin支架 (PDAS)：首先通过冷冻干燥法制备具有均匀多孔结构（孔径约100 μm）的PLGA支架框架。然后，将DA-2.50水凝胶的前驱体溶液滴加在经空气等离子体处理亲水的PLGA支架表面，使其原位聚合，形成复合支架，命名为PDAS-2.50。 2. 支架的降解行为研究：在pH 7.4的PBS中对比研究了纯PLGA支架和PDAS-2.50支架长达168天的降解过程。纯PLGA表现出典型的突发性降解，而PDAS-2.50则展现出持续、平缓的降解曲线，最终在第168天完全降解。研究认为，DA水凝胶的存在缓冲了PLGA降解产生的酸性环境，缓解了其自催化降解过程，从而实现了更为可控的整体降解。
第三阶段：体外“按需”抗菌与生物相容性评估 1. “按需”释放动力学：在体外模拟正常（pH 7.4）和感染（pH 5.0）的微环境，研究PDAS-2.50中阿米卡星的释放行为。结果显示，在pH 7.4条件下，24小时仅释放14.1%，21天总释放28.4%；而在pH 5.0条件下，21天释放量达到58.5%。相反，负载在纯PLGA中的阿米卡星在pH 7.4下24小时即突释93.6%。这确凿证明了PDAS-2.50具有智能、环境响应性的释放特性。 2. 体外“按需”抗菌实验：建立一个连续5天的动态模型。在仅有PBS的阴性对照组中，支架颜色逐渐变黄，溶液变淡黄，但无抗菌需求。在含有S. aureus的阳性感染模型中，支架颜色保持近白色，而溶液迅速变黄，表明细菌代谢产生的酸性环境加速了希夫碱键断裂，导致Dex-CHO和阿米卡星释放。平板菌落计数和溶液浊度测定均证实，PDAS-2.50能有效杀灭细菌，实现“按需”抗菌。 3. 广谱抗菌能力验证：通过标准菌落计数法和抑菌圈法进一步证实，PDAS-2.50对S. aureus和E. coli均具有强大的杀灭能力和明显的抑菌圈，而纯PLGA支架无此效果。扫描电镜观察显示，经PDAS-2.50处理的细菌细胞膜出现明显破损。 4. 体外生物相容性与EGF负载/释放：采用小鼠成肌细胞C2C12通过CCK-8法和活/死细胞染色评估细胞毒性。结果显示，与对照组相比，PDAS-2.50在第1天和第3天均未表现出显著细胞毒性，细胞形态正常，生长良好。此外，研究评估了PDAS-2.50对表皮生长因子EGF的负载和释放性能。与纯PLGA支架相比，PDAS-2.50显示出更高的EGF负载效率（79.6% vs 66%）和更缓慢的释放曲线（24小时释放22.1% vs 35.2%），表明其可作为生长因子的良好缓释载体。
第四阶段：体内动物实验验证功效与安全性 1. 建立动物模型：使用SD大鼠建立全层皮肤缺损的感染模型（伤口直径8 mm，接种S. aureus）。 2. 体内抗菌效果：术后7天评估。结果显示，与未处理的对照组相比，植入PDAS-2.50的伤口部位细菌菌落形成单位显著减少，杀菌率高达97.1%。组织切片H&E染色也显示，PDAS-2.50组炎症反应轻微，而对照组炎症强烈。 3. 体内伤口愈合促进：将大鼠分为三组：对照组、PDAS-2.50组、PDAS-2.50+EGF组，观察21天。通过伤口照片和面积测量评估愈合率。结果表明，PDAS-2.50组比对照组愈合更快（第21天伤口闭合率约90.4% vs 83.5%），而加载了EGF的PDAS-2.50组愈合速度最快。组织学分析显示，在第21天，PDAS-2.50+EGF组伤口缺损长度最短（约461 μm），并可见丰富的毛囊和成熟组织，表明组织再生质量更高。 4. 体内安全性评估：在术后第7天和第21天取主要器官（心、肝、脾、肺、肾）进行H&E染色。与对照组相比，各实验组器官均未观察到明显的形态学异常或组织损伤，表明PDAS-2.50按需释放的阿米卡星剂量未引起系统性毒性。
三、 主要研究结果
本研究获得了一系列从材料基础性能到动物体内功效的连贯且相互印证的结果： 1. 材料设计可行性：成功合成了具有pH响应性的Dex-CHO/Amikacin水凝胶体系，其希夫碱交联结构在酸性条件下可被快速切断，验证了“按需”释放的基本原理。 2. DA水凝胶性能优化：确定了DA-2.50配方在抗菌效果（近乎完全杀灭）、溶胀和降解性能之间取得了良好平衡，被选为最佳配方。 3. 复合支架的关键优势：PDAS-2.50支架不仅继承了DA水凝胶的pH响应性，还显著改善了纯PLGA材料的降解行为，将突发降解转变为长达168天的持续降解，这对于长期组织工程应用至关重要。 4. “按需”释放与抗菌的直接证据：体外释放动力学和动态抗菌模型提供了令人信服的证据，证明阿米卡星的释放速率与环境的酸度（即细菌感染程度）直接相关。细菌的存在创造酸性环境，加速药物释放以杀菌；感染缓解后，释放速率下降，避免药物浪费和毒副作用。这一“智能”特性是研究的核心创新。 5. 双重功能协同作用：体外实验证明PDAS-2.50能有效杀灭革兰氏阳性和阴性细菌。同时，它还能高效负载并缓释EGF。体内动物实验将这两种功能结合，结果显示：PDAS-2.50通过有效清除伤口细菌（97.1%的杀菌率），为组织再生创造了有利的无菌或低菌环境；在此基础上，缓释的EGF进一步促进了上皮细胞和成纤维细胞的增殖与迁移，从而在抗菌和促愈两方面协同作用，实现了比单一功能或对照组更快速、更高质量的伤口愈合。 6. 安全性初步验证：体内器官组织学分析未发现明显毒性，初步证明了该智能释放系统在有效抗菌剂量下的生物安全性。
四、 研究结论与意义
本研究成功开发了一种新型的、可生物降解的PLGA/Dex-CHO/Amikacin复合支架（PDAS）。该支架的核心价值在于其“智能”响应特性：通过酸敏感的希夫碱键，能够精确响应细菌感染微环境，实现抗生素阿米卡星的按需释放，从而在高效广谱抗菌的同时，有望最大限度地减少抗生素滥用带来的副作用和耐药性风险。此外，该支架还能作为生长因子EGF的缓释载体，协同促进组织再生。
其科学价值体现在：1) 为构建刺激响应型抗菌生物材料提供了一种巧妙且易于实施的策略（利用氨基糖苷类药物的胺基形成希夫碱）；2) 通过有机复合，有效克服了PLGA材料突发降解的固有缺点，获得了更符合组织再生时间尺度的降解行为；3) 在一个平台上集成了“感染感知-药物释放-抗菌-生长因子递送-组织修复”的完整功能链，体现了功能一体化设计的先进理念。
其应用前景十分明确：该PDAS支架作为一种具有“自适应性”的智能敷料或植入物，在治疗慢性感染性伤口、手术创面感染、以及与植入物相关的感染等方面具有巨大的临床应用潜力，为实现精准、高效、安全的抗感染治疗和组织修复提供了新的材料解决方案。
五、 研究亮点