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光热双模式抗菌水凝胶的研发及其在感染性皮肤缺损治疗中的应用

第一作者及单位
该研究由Zhiyi Liao（第一作者，1）、Jiayi Li（共同第一作者，1）、Wenqiang Ni（1）、Rixing Zhan（通讯作者，b,*）和Xisheng Xu（通讯作者，a,*）合作完成。研究团队分别来自：
a. 郴州市第一人民医院烧伤整形外科（Department of Burn and Plastic Surgery, The First People’s Hospital of Chenzhou, University of South China）
b. 陆军军医大学西南医院烧伤研究所（Institute of Burn Research, State Key Laboratory of Trauma and Chemical Poisoning, Southwest Hospital）
研究发表于期刊Carbohydrate Polymers（2025年，第348卷，文章编号122873）。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于生物材料与伤口修复领域，聚焦于开发一种兼具抗菌和光热治疗功能的复合水凝胶敷料。皮肤缺损（如创伤、烧伤）易引发细菌感染，而传统抗生素因耐药性和穿透性差难以有效清除生物膜（biofilm）。因此，研究团队提出结合抗菌肽（antimicrobial peptide, AMP）和普鲁士蓝纳米颗粒（Prussian blue nanoparticles, PBNPs）的双模式抗菌策略，以解决临床中感染性伤口愈合缓慢的难题。

科学问题与目标
1. 抗菌肽的局限性：MSI-1抗菌肽虽对耐药菌（如MRSA、VISA）有效，但易降解且半衰期短。
2. 光热材料的挑战：PBNPs虽具有光热转换能力，但直接使用可能因残留毒性阻碍愈合。
研究旨在通过壳聚糖/聚乙烯醇（chitosan/polyvinyl alcohol, CS/PVA）水凝胶共递送MSI-1与PBNPs，实现协同抗菌并促进伤口修复。

研究流程与方法

1. 材料合成与表征
- PBNPs制备：通过高压水热法合成立方体形貌的PBNPs（粒径约115 nm），经离心纯化后冻干保存（图1a-b）。
- 水凝胶构建：将CS与PVA溶液混合，通过冻融循环形成物理交联网络，随后通过EDC/NHS共价偶联将MSI-1接枝到CS的羧基上，最终嵌入PBNPs（图1c-d）。
- 表征技术：
- SEM/TEM：确认PBNPs和水凝胶的微观结构（图1a-d）。
- FTIR：验证MSI-1与CS的酰胺键形成（图1h）。
- 流变学测试：水凝胶的储能模量（G’）高于损耗模量（G”），表明其固态弹性（图1j）。

2. 力学与光热性能测试
- 力学性能：MSI-1/PB@CS/PVA水凝胶的压缩强度（0.28 MPa）和拉伸伸长率（657.3%）显著优于纯PVA（图1k-p）。
- 光热效应：在808 nm近红外光（0.75 W/cm²）下，含0.2 mg/mL PBNPs的水凝胶10分钟内升温至48.3°C，且5次循环后稳定性良好（图2b-f）。

3. 体外抗菌实验
- 菌种：金黄色葡萄球菌（*S. aureus*）和大肠杆菌（*E. coli*）。
- 方法：通过OD600值测定细菌存活率，平板计数法验证抗菌效率。
- 结果：MSI-1/PB@CS/PVA + NIR组24小时内完全杀灭两种细菌（图3a-e），抗菌率>99%。

4. 生物相容性评估
- 细胞实验：NIH-3T3成纤维细胞培养72小时后存活率>90%（图4a-b）。
- 溶血实验：溶血率仅0.35%，符合生物安全性标准（图4d）。

5. 体内动物实验
- 模型：BALB/c小鼠全层皮肤缺损感染模型（混合*S. aureus*和*E. coli*）。
- 分组：6组（包括空白对照、PVA、CS/PVA等），治疗7天。
- 结果：
- 抗菌效果：MSI-1/PB@CS/PVA + NIR组第3天细菌清除率达100%（图5b-d）。
- 伤口愈合：第7天伤口基本闭合，新生上皮长度显著增加（图5e-h）。
- 组织学分析：Masson染色显示胶原纤维有序排列（图5i），主要器官无毒性（图6）。

主要结果与结论

1. 双模式抗菌机制：
   
   • MSI-1通过破坏细菌膜发挥接触杀菌作用。
     
   • PBNPs在近红外光下产生温和热疗（<55°C），避免组织损伤并破坏生物膜。
     
2. 协同效应：光热升温增强抗菌肽的渗透性，二者联合显著降低耐药菌存活率。
   
3. 临床应用潜力：水凝胶的机械强度、缓释性和生物相容性使其适合作为感染性伤口敷料。
   

研究亮点与价值

1. 创新性设计：首次将PBNPs与抗菌肽MSI-1共载于CS/PVA水凝胶，实现化学-光热协同抗菌。
   
2. 方法学优势：
   
   • 通过冻融循环避免化学交联剂毒性。
     
   • 共价偶联MSI-1延长抗菌肽稳定性。
     
3. 转化意义：为耐药菌感染创面提供了一种安全、高效的治疗方案，具有明确的商业化前景。
   

其他价值

• 交叉学科应用：该水凝胶体系可扩展至其他光热材料（如金纳米棒）与抗菌药物的组合。
  
• 机制深化方向：未来可探究PBNPs对炎症因子调控的影响，以优化伤口微环境。
  

（全文约2000字）