基于单宁酸和透明质酸的抗菌温敏水凝胶治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌慢性鼻窦炎的研究

《Applied Materials Today》：Antibacterial injectable thermosensitive hydrogels based on tannic acid and hyaluronic acid for the treatment of the antibiotic-resistant Staphylococcus aureus chronic rhinosinusitis

本研究针对抗生素耐药金黄色葡萄球菌引起的慢性鼻窦炎治疗难题，开发了基于Pluronic、透明质酸(HA)和单宁酸(TA)的温敏注射水凝胶。研究通过调控TA浓度(1%、2%、4%)成功制备出具有温度响应性、黏膜黏附性和抗菌活性的新型水凝胶，为慢性呼吸道感染提供了局部给药新策略。

　　

在当今全球公共卫生领域，呼吸道感染始终是困扰人类健康的重要问题，特别是在儿童、老年人和免疫功能低下群体中，这类感染更是导致发病率和死亡率居高不下的主要因素。其中，慢性细菌性鼻窦炎作为常见的呼吸道疾病，其典型特征是鼻窦局部黏膜发生持续性炎症，导致鼻腔内黏液积聚，进而引发鼻塞、头痛等不适症状。更令人担忧的是，鼻腔内阻塞的黏液环境会显著降低细菌多样性，促使耐抗生素金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)过度增殖，成为引发鼻窦炎的主要致病菌。当前，临床上对于这类疾病的标准治疗方案主要依赖全身性抗生素给药，但这种方法往往存在生物利用度低、易产生副作用等局限性。而传统的鼻喷雾剂虽然能够暂时缓解炎症症状，却由于在鼻腔内滞留时间短，容易被黏液纤毛清除系统快速清除，无法有效解决慢性细菌感染问题。这种治疗困境使得开发新型抗菌策略显得尤为迫切。

在这一背景下，水凝胶材料因其优异的药物负载和控释能力而受到广泛关注。特别是温敏水凝胶，其独特的温度响应特性使其能够在室温下保持液态便于注射，而在体温条件下迅速形成凝胶状态，从而实现长期局部给药。在众多高分子材料中，Pluronic F127(PF-127)和F68(PF-68)作为美国食品药品监督管理局(FDA)批准的两亲性共聚物，因其明确的溶胶-凝胶转变温度而成为理想载体。然而，单纯的Pluronic水凝胶缺乏抗菌活性，这限制了其在感染治疗中的应用。

为了解决这一难题，来自意大利国家研究理事会聚合物、复合材料和生物材料研究所的研究团队开展了一项创新性研究，开发了一种基于Pluronic、透明质酸(Hyaluronic Acid, HA)和单宁酸(Tannic Acid, TA)的多功能温敏水凝胶系统。该研究成果发表在《Applied Materials Today》期刊上，为慢性鼻窦炎的治疗提供了新思路。

研究人员采用了几个关键的技术方法：通过流变学分析评估水凝胶的温度响应性和黏弹性；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman spectroscopy)表征分子间相互作用；采用扫描电子显微镜(SEM)观察材料微观结构；通过体外释放实验研究TA和HA的释放动力学；使用细胞活力测试和共聚焦显微镜评估生物相容性；最后通过抗菌实验验证材料对耐抗生素金黄色葡萄球菌的抑制效果。

制备Pluronic基温敏水凝胶

研究团队设计了三种不同TA浓度(1%、2%、4%)的水凝胶配方，分别标记为PPHT1、PPHT2和PPHT4。制备过程首先将TA溶解，然后依次加入Pluronic F-68、Pluronic F-127和HA，最终形成均匀的温敏水凝胶体系。

HA-TA-Pluronic水凝胶中的相互作用机制

研究表明，在水凝胶体系中，各组分之间存在着复杂的相互作用网络。HA与TA之间主要通过氢键和疏水作用结合，而TA与Pluronic之间则通过疏水相互作用形成复合物。特别值得注意的是，HA与Pluronic之间可能通过聚乙二醇链段与HA羧基之间的氢键产生协同作用。这些多重相互作用共同构成了水凝胶的三维网络结构，使其在37°C时能够形成稳定的凝胶状态。

流变学特性

流变学测试结果显示，所有配方在25°C时均表现为低黏度溶胶状态，便于注射操作；而当温度升高至37°C时，体系黏度显著增加，发生溶胶-凝胶转变。随着TA浓度的增加，水凝胶的储能模量(G')逐渐升高，表明材料机械强度得到增强。特别值得注意的是，含有4% TA的PPHT4样品表现出最高的凝胶强度，这得益于TA分子中丰富的酚羟基与其他组分形成的强相互作用。

微观结构

SEM观察显示，水凝胶呈现出典型的多孔网状结构，这种结构有利于药物的负载和释放。随着TA含量的增加，材料孔径呈现减小趋势，表明TA的加入增强了网络结构的致密性。FTIR和Raman光谱分析进一步证实了各组分之间的成功复合，特别是在TA的酚羟基与HA的羧基之间形成了稳定的氢键。

可注射性和黏膜黏附性

Instron测试结果表明，所有水凝胶配方均表现出良好的可注射性，所需的挤出力较低，这在实际临床应用中将大大减轻患者的注射不适感。黏膜黏附实验显示，随着TA浓度的增加，水凝胶与黏膜组织的黏附力显著增强，这主要归因于TA分子中丰富的邻苯二酚和邻苯三酚基团与黏膜表面蛋白形成的多种非共价相互作用。

释放动力学

体外释放研究显示，TA和HA从水凝胶中的释放呈现缓释特性，在72小时内持续释放。这种缓慢的释放行为有利于维持局部有效的抗菌浓度，避免频繁给药，从而提高患者依从性。释放动力学分析表明，释放过程符合Fickian扩散机制，说明药物释放主要受扩散控制。

生物相容性

细胞毒性实验结果表明，所有水凝胶配方均表现出良好的生物相容性。有趣的是，随着TA浓度的增加，细胞活力反而有所提高，这可能与TA的抗氧化特性有关。共聚焦显微镜观察进一步证实，细胞在水凝胶表面能够正常贴附、铺展和增殖，未出现明显的形态学改变。

抗菌活性

最令人鼓舞的结果来自抗菌实验。所有水凝胶配方对耐抗生素金黄色葡萄球菌均表现出显著的抑制效果，且这种抗菌活性呈现明显的浓度依赖性。TA浓度越高，抗菌效果越强，其中PPHT4样品几乎完全抑制了细菌的生长。这种抗菌机制主要归因于TA分子与细菌细胞膜的直接相互作用，以及HA的负电荷对细菌的静电排斥效应。

结论

本研究成功开发了一种基于Pluronic、HA和TA的温敏注射水凝胶系统，该系统具有良好的温度响应性、可注射性、黏膜黏附性和生物相容性。特别重要的是，材料展现出对耐抗生素金黄色葡萄球菌的显著抗菌活性，且这种活性与TA浓度正相关。该研究为慢性鼻窦炎的局部治疗提供了新的解决方案，通过延长药物在鼻腔内的滞留时间、增强抗菌效果，有望减少抗生素的全身使用，降低耐药性发展风险。这种基于天然成分的多功能水凝胶平台不仅适用于鼻窦炎治疗，还可能拓展到其他局部感染性疾病的治疗领域，具有广阔的临床应用前景。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可根据合理要求从通讯作者处获取。

作者贡献声明

Francesca Della Sala、Mario di Gennaro和Gennaro Longobardo共同负责论文的撰写、研究设计和数据分析；Rubina Paradiso和Giovanna De Luca参与实验研究；Giorgia Borriello和Sara Genovese参与论文评审和编辑工作；Assunta Borzacchiello负责研究指导和质量控制。