基于镓-多酚网络的可注射多功能水凝胶的简易制造及其在感染创面愈合中的卓越抗菌活性

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多功能水凝胶促进感染性伤口愈合的全新研究

在当前临床环境中，感染性伤口尤其是抗生素耐药性病原体感染的伤口，已经成为一种重大挑战。这些慢性性或难以愈合的伤口常常由于炎症过度、细菌生物膜的形成以及抗生素疗效下降而延误愈合进程。然而，现有的治疗手段，如抗生素治疗和传统伤口敷料，难以同时解决感染、抗生素耐药及其他组织再生相关问题。基于此背景，多功能性水凝胶因为其类细胞外基质的三维结构，成为一种具有潜力的先进伤口敷料。然而，如何实现在简单、低成本制备的条件下，赋予水凝胶抗菌、抗炎、抗氧化、自愈合性以及体内生物相容性，仍然是一个未解决的科学问题。

最近，来自Fuzhou University和Fujian Medical University等研究机构的多位科学家，包括Minglang Zou和Da Huang等，在研究中开发了一种基于金属-多酚网络（Metal-Phenolic Networks, MPN）的新型可注射多功能水凝胶（CS-TA-Ga³⁺水凝胶，简称为CTG水凝胶），并系统性评估了其促进感染性伤口愈合的疗效。本文以Minglang Zou等人撰写的研究论文为基础，该论文于2025年发表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上。

研究流程与方法

本研究采用了简单高效的“一步法”制备CTG水凝胶，通过将鞣酸（Tannic Acid, TA）与三价镓离子（Ga³⁺）形成金属-多酚网络，再与天然抗菌多聚物壳聚糖（Chitosan, CS）结合而得。这一方法避免了以往多功能水凝胶制备流程中繁琐的步骤。

  1. 水凝胶制备与优化
    首先，研究团队以鞣酸（TA）和三价镓离子（Ga³⁺）的配比，优化金属-多酚网络的形成条件。通过紫外-可见光谱检测（UV-Vis Spectroscopy），研究发现TA与Ga³⁺的双配位状态（bis-coordination）是最佳的结合形式。随后，通过不同浓度的壳聚糖（CS）加入实验，优化了其与TA-Ga³⁺配合物的比例，最终确定壳聚糖、鞣酸和镓离子的质量比为6:5:4。

  2. 形貌与结构表征
    利用扫描电子显微镜（SEM）观察了CTG水凝胶的内部多孔结构，其孔隙直径约为10微米，适合吸收创口渗出液并支持气体交换。X射线光电子能谱（XPS）分析证实了水凝胶中镓元素的+3价态存在，而傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析则验证了鞣酸与三价镓、壳聚糖之间的氢键与配位键的形成。

  3. 流变性与自愈合性
    流变学测试证明，CTG水凝胶在剪切应变下具有良好的剪切变稀性能，使其可通过注射适应各种不规则创面。对待修复的水凝胶块体进行接触实验后发现，水凝胶能够迅速自愈合，具有良好的机械稳固性。

  4. pH响应与药物释放
    水凝胶展现了对酸性环境的响应能力，当pH偏酸时（<6.5，一般见于炎性创伤），水凝胶内部的TA-Ga³⁺网络和氢键会发生解离，从而释放出具有抗炎与抗菌功能的鞣酸和镓离子。实验数据显示，在72小时内，镓和鞣酸的释放量分别为60%和更高，其释放速率显著受到pH变化的调控。

实验结果与主要发现

  1. 体外生物相容性
    使用小鼠巨噬细胞系（RAW264.7）和NIH-3T3成纤维细胞进行体外实验表明，CTG水凝胶对细胞无毒性，且能够支持细胞的长期增殖。此外，红细胞溶血实验显示该水凝胶对血细胞具有良好的兼容性，总溶血率低于5%。

  2. 抗菌与抗生物膜性能
    水凝胶对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）、鲍曼不动杆菌（A. baumannii）、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）等常见病原体，以及对耐抗生素菌株（如MRSA、CRE）的抑菌率均接近100%。其显著的抗菌效果归功于镓离子的“特洛伊木马”作用机制，不依赖传统抗生素。此外，CTG水凝胶能够显著抑制细菌生物膜的形成，残余生物膜量低于20%。

  3. 抗氧化与抗炎特性
    水凝胶展现了出色的抗氧化能力，其清除自由基（DPPH·和ABTS+·）的效率接近90%。细胞内实验进一步表明，它显著降低了氧化应激环境中ROS水平。同时，水凝胶能够有效抑制巨噬细胞中炎症因子（如TNF-α和IL-1β）的过度表达。

  4. 组织学分析与伤口愈合评估
    在感染性全厚皮肤伤口小鼠模型中，CTG水凝胶使伤口愈合率达到95.58%，优于对照组及其他成分组。组织学染色显示，CTG组的角质层厚度、肉芽组织厚度以及胶原蛋白沉积显著高于对照组。水凝胶还促进了毛囊和新生皮肤附属器的生成。

  5. 止血表现
    在小鼠尾部和肝脏损伤模型中，CTG水凝胶能够快速止血，将止血时间缩短了一半以上，同时显著减少失血量。

研究意义与创新

这项研究突破了多功能性水凝胶在复杂制备工艺和高成本上的局限，以一种低成本、简单制备方法制得了具有多功能性且适用于感染性伤口愈合的新型材料。通过融合壳聚糖、鞣酸和三价镓的多重功能，CTG水凝胶不仅能有效抑制抗生素耐药性致病菌，还提供抗氧化、抗炎等多种修复特性。这项研究为发展新一代医学敷料和促进临床转化提供了重要的理论基础与技术支持。

通过全方位展示其优异的综合性能，CTG水凝胶为感染性伤口的治疗带来了全新视角，具有广泛的应用前景和潜在市场价值。