将Reuterin以动态亚胺交联的方式整合到改性壳聚糖水凝胶中，可显著增强其抗菌性能

《Carbon Capture Science & Technology》：Reuterin integrated as dynamic imine crosslinks strengthens creatine modified chitosan hydrogel and boosts antibacterial efficacy

本研究开发了一种集成天然抗菌剂雷托林作为网络结构成分的水凝胶平台。通过将肌酸接枝到甲丙烯酰化羟基丁基壳聚糖骨架（HBC_m_Cre），结合雷托林动态亚胺键交联，形成可注射、快速光固化且机械性能增强的水凝胶（HBC_m_Cre/Reu）。该材料在体外表现出高细胞相容性（存活率>95%）、显著抗菌活性（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌杀菌率>95%）及生物膜破坏能力。体内实验证实其有效控制出血，肌酸降低出血时间，雷托林强化网络结构并维持抗菌活性。该创新设计为感染性伤口护理提供了多功能单一材料平台。

　　本研究提出了一种新型的水凝胶平台，该平台将天然抗菌物质作为网络的一部分，而非作为可释放的添加剂。通过将肌酸（Creatine）接枝到甲基丙烯酸羟基丁基壳聚糖（HBC_m）上，成功制备出一种可注射、热响应性和光固化性能的水凝胶骨架（HBC_m_Cre）。随后，通过动态亚胺（Schiff-base）偶联的方式将雷特林（Reuterin，简称Reu）引入，使其作为结构交联剂，不仅增强了水凝胶的网络稳定性，还维持了局部的抗菌活性。实验验证表明，这种设计策略能够有效提升水凝胶的机械性能、抗菌能力和止血效果，为感染防控的伤口护理提供了一种具有多重功能的材料平台。

在创伤和手术伤口中，出血和微生物污染常常同时发生。新鲜血凝块形成的湿润、富含蛋白质的基质可能会为微生物提供庇护，而出血则会稀释局部的抗菌物质，影响其驻留时间。此外，血小板激活、凝血酶生成和纤维蛋白组装高度依赖于局部的物理化学环境，包括pH值、离子强度以及蛋白酶和活性氧的浓度。这些参数在感染性伤口中常常出现异常，因此，若在止血过程中无法同时控制微生物污染，可能会导致生物膜的形成，从而阻碍伤口的愈合。相反，如果使用抗菌物质而没有有效的止血密封，则无法有效控制出血或保护新生的血凝块。因此，开发一种能够快速止血、适应不规则表面并维持局部抗菌活性的单一平台敷料具有重要的临床意义。

细菌感染是影响伤口愈合和及时闭合的主要障碍之一。如大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）等病原体能够定植于纤维蛋白网络中，破坏组织结构，形成对抗宿主免疫和局部药物的生物膜。细菌产物，如脂壁酸（LTA）和脂多糖（LPS），以及分泌的蛋白酶能够延长炎症期，增加基质金属蛋白酶的水平，并降解临时的细胞外基质。同时，氧化应激会干扰血管生成和角质细胞迁移。在这一背景下，传统抗生素存在明显的局限性，包括在酸性、富含蛋白质的渗出液中活性下降，难以渗透到血凝块和生物膜中，以及持续出现的耐药性问题。因此，具有不同作用机制的小分子广谱抗菌物质成为有吸引力的辅助材料，但需要保证其局部浓度能够维持，并且其固有的反应性得到控制。雷特林（Reu，3-羟基丙醛）是一种由乳酸杆菌（Lactobacillus reuteri）产生的代谢产物，因其广泛的抗菌谱和与硫醇反应的醛基化学特性而著称，能够干扰细菌的氧化还原平衡和大分子结构的完整性。然而，雷特林的化学稳定性较差，且在剂量依赖性下可能引起局部刺激，这促使研究人员将其与一种稳定的基质偶联，以实现可控的、局部的释放。

快速诱导局部血凝块的形成是止血级联反应中的关键初始事件，为后续的细胞浸润和组织再生提供了临时的基质。肌酸是内源性精氨酸-肌酸代谢途径中的关键中间体，并通过肌酸/磷酸肌酸穿梭机制，在高需求状态如止血、炎症消退和组织重塑过程中缓冲细胞能量。除了在生物能量代谢方面的作用，肌酸还具有强碱性的胍基团，该基团在生理pH条件下被质子化，赋予其净阳离子特性。这一特性在止血过程中具有重要的机制意义，因为红细胞和血小板膜由唾液酸化的糖蛋白和阴离子磷脂赋予负电荷。阳离子界面能够增强红细胞的粘附和聚集，促进血小板在材料表面的捕获和激活，从而加快血凝块的形成和稳定。因此，将肌酸战略性地引入伤口敷料中，不仅支持修复过程中的细胞能量代谢，还提供了一种正电荷界面，以改善接触止血效果，而无需依赖强效的促凝剂。

开发一种集热响应性、光固化性、止血性和抗菌性于一体的多功能水凝胶，为解决伤口管理早期阶段的关键挑战提供了新的思路。在本研究中，通过EDC/NHS介导的酰胺形成，将肌酸接枝到甲基丙烯酸羟基丁基壳聚糖（HBC_m）上，从而保留了HBC骨架的温度敏感性溶-凝转变特性，同时引入了可控的光交联能力。肌酸的引入不仅增强了水凝胶的阳离子特性，使其与红细胞和血小板之间的静电相互作用增强，从而加速局部血凝块的形成，还提供了与细胞能量代谢相关的功能，对早期修复具有积极意义。为了进一步增强水凝胶网络的稳定性并赋予抗菌活性，雷特林被引入作为结构成分。雷特林的醛基能够与HBC_m_Cre中的氨基形成可逆的Schiff基偶联，同时通过氢键与羟基相互作用，形成动态交联的网络。此外，其固有的多靶点抗菌机制能够有效抑制病原菌的生长，降低耐药性的可能性。

初步评估证实了这种集成设计的有效性。复合水凝胶保留了良好的热响应性和光固化性能，能够在生理温度下增加粘度，并在紫外光照射下形成稳定的结构。体外实验显示，该水凝胶具有优异的细胞相容性（NIH 3T3细胞存活率超过95%）和极低的溶血活性（在10 mg/mL浓度下溶血率低于2%）。琼脂平板实验表明，该水凝胶对S. aureus和E. coli表现出强效的抗菌能力，抑制效率分别达到95.85%和96.47%，同时对生物膜的破坏效果显著。增强的红细胞粘附进一步表明了该水凝胶与界面的相互作用增强，从而提升了止血潜力。体内实验中，使用肌酸修饰的水凝胶能够显著减少出血时间和总失血量，相较于未修饰的HBC表现出更好的止血效果。而雷特林的引入则主要增强了水凝胶的网络结构，维持了抗菌保护，而对止血效率没有进一步的影响。这些结果表明，将雷特林作为结构交联剂、肌酸作为阳离子界面进行整合，能够构建出一种集机械强度、抗菌活性和可靠止血能力于一体的多功能水凝胶系统，为感染防控的伤口护理提供了一种新的材料平台。

水凝胶的结构设计基于肌酸和雷特林的化学特性。肌酸含有α-羧基和强碱性的胍基团，这些基团能够与壳聚糖骨架中的氨基发生反应，形成稳定的酰胺键，同时保留壳聚糖的阳离子特性。雷特林的醛基则能够与肌酸修饰后的壳聚糖骨架中的氨基形成可逆的Schiff基偶联，进一步增强水凝胶的网络结构。这种动态交联机制不仅提高了水凝胶的机械性能，还使其具备持续的抗菌能力。此外，雷特林的多靶点抗菌机制能够有效抑制病原菌的生长，同时降低耐药性的风险。因此，这种设计策略能够同时满足止血和抗菌的双重需求，为感染防控的伤口护理提供了新的解决方案。

水凝胶的物理化学特性对其在伤口护理中的应用至关重要。通过将肌酸接枝到壳聚糖骨架上，水凝胶在生理温度下能够保持良好的粘度，同时在紫外光照射下迅速固化，形成稳定的结构。这种热响应性和光固化性使得水凝胶能够适应不同的临床需求，如快速止血和形成稳定的抗菌屏障。此外，水凝胶的机械性能得到了显著提升，从原始的HBC（0.45 ± 0.09 N）到HBC_m_Cre（1.27 ± 0.08 N）再到HBC_m_Cre/Reu（1.96 ± 0.09 N），显示出逐步增强的机械强度。这种机械强度的提升不仅有助于维持伤口的结构稳定，还能够提供足够的支撑力，以促进组织的修复和再生。

在体外实验中，水凝胶表现出良好的细胞相容性，能够支持细胞的生长和功能。同时，其对红细胞的粘附和聚集能力增强，进一步表明了其在止血方面的潜力。此外，水凝胶的溶血活性较低，能够在不影响血液成分的情况下实现止血功能。这些特性使得水凝胶在伤口护理中具有较高的安全性。在体内实验中，水凝胶能够显著减少出血时间和总失血量，相较于未修饰的HBC表现出更好的止血效果。同时，雷特林的引入主要增强了水凝胶的抗菌能力和网络结构，而对止血效率没有进一步的影响，这表明了其在抗菌防护方面的有效性。

该水凝胶系统在伤口护理中的应用具有广阔的前景。其集止血、抗菌和机械支撑于一体的特性，使其能够有效应对感染性伤口的多重挑战。此外，水凝胶的热响应性和光固化性使得其能够适应不同的临床场景，如快速止血和形成稳定的抗菌屏障。这种设计策略不仅提高了水凝胶的性能，还为未来开发具有多重功能的伤口护理材料提供了新的思路。通过将肌酸和雷特林作为结构成分进行整合，水凝胶能够形成一个稳定的网络，同时维持其抗菌活性，从而为感染防控的伤口护理提供了一种高效、安全的解决方案。

此外，该水凝胶系统的生物安全性得到了验证。在体外实验中，水凝胶对NIH 3T3细胞的存活率超过95%，表明其对细胞的毒性较低。同时，其在10 mg/mL浓度下的溶血率低于2%，进一步证明了其在血液环境中的安全性。这些结果表明，该水凝胶系统能够在不损害正常细胞和血液成分的情况下，实现止血和抗菌功能。这种安全性使得水凝胶在临床应用中具有更高的可行性，能够满足不同患者的需求。

在抗菌性能方面，该水凝胶系统表现出优异的抗菌能力。通过琼脂平板实验，水凝胶对S. aureus和E. coli的抑制效率分别达到95.85%和96.47%，显示出其对多种病原菌的有效抑制作用。此外，水凝胶对生物膜的破坏效果显著，能够有效清除病原菌形成的生物膜，从而减少感染的风险。这种抗菌能力不仅来源于雷特林的多靶点抗菌机制，还与其在水凝胶网络中的结构分布有关。雷特林的引入不仅增强了水凝胶的抗菌能力，还使其具备持续的抗菌活性，从而为感染防控的伤口护理提供了可靠的保障。

该水凝胶系统的设计策略在材料科学和生物医学工程领域具有重要意义。通过将抗菌物质作为结构成分进行整合，而非作为可释放的添加剂，水凝胶能够形成一个稳定的抗菌网络，从而实现持续的抗菌活性。这种设计不仅提高了水凝胶的机械性能，还使其具备良好的生物相容性和止血能力。此外，该水凝胶系统的热响应性和光固化性使得其能够适应不同的临床需求，如快速止血和形成稳定的抗菌屏障。这种多功能水凝胶系统的开发为未来的研究提供了新的方向，同时也为实际应用提供了可靠的材料基础。

在实际应用中，该水凝胶系统能够满足不同类型的伤口护理需求。其止血能力使其能够在创伤和手术伤口中快速形成稳定的血凝块，从而减少出血时间和失血量。其抗菌能力则能够有效抑制病原菌的生长，减少感染的风险。同时，其机械性能使其能够维持伤口的结构稳定，为组织的修复和再生提供必要的支撑。这些特性使得该水凝胶系统在临床应用中具有较高的可行性，能够为感染防控的伤口护理提供一种高效、安全的解决方案。

该水凝胶系统的开发不仅为伤口护理提供了新的材料选择，还为材料科学和生物医学工程领域带来了新的研究思路。通过将肌酸和雷特林作为结构成分进行整合，水凝胶能够形成一个稳定的网络，同时维持其抗菌活性和止血能力。这种设计策略不仅提高了水凝胶的性能，还使其具备良好的生物相容性和安全性。此外，该水凝胶系统的热响应性和光固化性使得其能够适应不同的临床需求，如快速止血和形成稳定的抗菌屏障。这种多功能水凝胶系统的开发为未来的研究提供了新的方向，同时也为实际应用提供了可靠的材料基础。

综上所述，该水凝胶系统的开发为感染防控的伤口护理提供了一种新的解决方案。通过将肌酸和雷特林作为结构成分进行整合，水凝胶能够形成一个稳定的网络，同时维持其抗菌活性和止血能力。这种设计策略不仅提高了水凝胶的性能，还使其具备良好的生物相容性和安全性。此外，该水凝胶系统的热响应性和光固化性使得其能够适应不同的临床需求，如快速止血和形成稳定的抗菌屏障。这种多功能水凝胶系统的开发为未来的研究提供了新的方向，同时也为实际应用提供了可靠的材料基础。