一种由壳聚糖和原儿茶醛通过席夫碱反应形成的pH响应性水凝胶，可用于抗氧化和抗菌领域

《Reactive and Functional Polymers》：A pH-responsive hydrogel formed by chitosan and protocatechualdehyde via Schiff base for antioxidant and antibacterial application

壳聚糖-原儿茶醛水凝胶通过Schiff碱反应制备，具有快速凝胶（4分钟）、高效抗菌（抑制E. coli和S. aureus）和抗氧化特性，为开发新型抗生素免费伤口敷料提供创新策略。

　　在当前全球范围内，抗生素滥用问题日益严重，导致耐药菌株的迅速增加，严重威胁着人类健康。传统的抗菌治疗手段往往依赖于抗生素，然而其长期使用不仅可能引发细菌耐药性，还可能导致环境污染及人体副作用。因此，寻找一种安全、有效且可持续的抗菌替代方案成为科研领域的重点。近年来，研究人员探索了多种非抗生素的抗菌策略，如无机纳米颗粒、光热疗法和光动力疗法等。尽管这些方法在实验室中展现出良好的抗菌效果，但其临床应用仍面临制造工艺复杂、成本高昂等挑战。因此，开发一种兼具抗菌与抗氧化功能、且具备良好生物相容性的新型材料成为迫切需求。

本研究提出了一种基于壳聚糖（Chitosan, CS）与对羟基苯甲醛（Protocatechualdehyde, PA）的pH响应型水凝胶，利用Schiff碱反应实现其形成。这种水凝胶材料不仅具有优异的吸水性和气体渗透性，还能够有效抑制细菌生长，同时具备强大的抗氧化能力。与传统抗菌材料相比，该水凝胶无需额外添加抗生素或有机抗菌剂，而是通过其自身的生物活性成分实现抗菌功能，从而避免了抗生素滥用带来的耐药性问题。此外，其pH响应特性使得水凝胶能够在不同环境下发生可逆的凝胶-溶胶转变，这种特性在伤口愈合过程中尤为重要，因为它能够根据伤口的微环境变化调节其释放行为和降解速率，从而更好地适应组织修复的需求。

壳聚糖是一种天然的阳离子多糖，广泛来源于甲壳类动物、昆虫外骨骼及真菌细胞膜。由于其独特的物理化学性质，壳聚糖在生物医学领域具有广泛的应用前景。例如，壳聚糖具有良好的抗菌性能，能够有效抑制多种细菌的生长；同时，它还具备止血、促进细胞增殖以及良好的生物相容性等优点。因此，壳聚糖被视为一种理想的生物材料，尤其是在伤口护理和组织工程方面。然而，壳聚糖的抗菌性能主要依赖于其分子结构中的氨基和羟基，这些基团能够与细菌细胞膜相互作用，破坏其完整性。因此，为了进一步增强壳聚糖的抗菌能力，研究者们常常通过与其他功能性分子结合，如多酚类化合物，来构建具有协同效应的抗菌体系。

对羟基苯甲醛是一种天然的水溶性多酚，来源于传统中药丹参（Salvia miltiorrhiza）。它不仅具有抗菌活性，还具备显著的抗氧化能力，能够清除自由基、抑制氧化应激反应，从而保护细胞免受损伤。此外，对羟基苯甲醛分子中含有多个羟基和苯环结构，使其具备良好的生物相容性，同时能够与壳聚糖中的氨基发生Schiff碱反应，形成稳定的共价键。这种反应不仅能够增强水凝胶的机械性能，还能够赋予其pH响应特性，使其在不同pH环境下表现出不同的物理状态。例如，在酸性条件下，Schiff碱键会更加稳定，而随着pH值的升高，键会逐渐解离，从而导致水凝胶发生凝胶-溶胶转变。这种特性使得水凝胶能够根据伤口的微环境变化进行自我调节，提高其在实际应用中的适应性和功能性。

本研究中的水凝胶通过简单的涡旋混合方法形成，避免了复杂的合成过程，降低了生产成本。涡旋混合是一种物理方法，通过高速搅拌促进CS与PA之间的Schiff碱反应，从而形成三维网络结构。这种方法不仅操作简便，而且能够实现快速凝胶化，仅需4分钟即可完成。此外，该水凝胶的制备过程对环境友好，符合当前绿色化学的发展趋势。在实验中，研究者们对不同比例的CS与PA水凝胶进行了系统的表征和性能测试，结果显示随着PA含量的增加，水凝胶的吸水性和凝胶化时间均有所改善。例如，CS-PA50水凝胶的凝胶化时间为4分钟，而CS-PA200水凝胶则能够在更短时间内完成凝胶化，显示出更优异的性能。

在性能评估方面，该水凝胶表现出显著的抗菌活性。通过体外实验，研究人员测试了其对两种常见致病菌——大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）的抑制效果。实验结果表明，CS-PA水凝胶能够有效抑制这两种细菌的生长，其中CS-PA200水凝胶在24小时内对两种细菌均实现了完全抑制。这一结果不仅验证了水凝胶的抗菌能力，也表明其在实际应用中具有良好的效果。此外，该水凝胶还具备强大的抗氧化能力，能够清除自由基，减少氧化应激对细胞的损伤。这种双重功能使得水凝胶在促进伤口愈合方面展现出巨大的潜力。

在微观结构方面，研究者们利用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared, FTIR）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）对水凝胶进行了系统的表征。FTIR分析结果显示，CS与PA之间确实发生了Schiff碱反应，形成了稳定的化学键。SEM图像则进一步揭示了水凝胶的微观形态，显示出其具有良好的三维网络结构，这有助于提高其吸水性和生物相容性。此外，水凝胶的表面形貌也显示出一定的孔隙结构，这种结构不仅能够促进细胞的迁移和增殖，还能够提高其药物释放效率。

在临床应用方面，该水凝胶展现出良好的前景。由于其无需额外添加抗生素，因此可以有效避免耐药菌株的产生。同时，其pH响应特性使其能够在不同环境下调节自身的物理状态，从而更好地适应伤口的愈合过程。例如，在伤口初期，由于渗出液较多，水凝胶能够快速吸水并形成凝胶，从而为伤口提供良好的覆盖和保护。随着伤口的愈合，pH值逐渐升高，水凝胶则会逐渐发生溶胶转变，便于移除和更换。这种动态响应特性不仅提高了水凝胶的使用便利性，还能够减少对伤口的二次损伤。

此外，该水凝胶的制备方法也具有重要的应用价值。传统的抗菌材料往往需要复杂的化学合成过程，这不仅增加了生产成本，还可能引入有害物质。而本研究中的水凝胶通过简单的涡旋混合方法即可完成，操作简便且环境友好。这种绿色合成方法不仅符合可持续发展的理念，还能够提高材料的可及性和实用性。因此，该水凝胶有望在未来成为一种替代抗生素的新型抗菌材料，特别是在需要长期使用或对环境敏感的医疗场景中。

综上所述，本研究成功开发了一种基于壳聚糖和对羟基苯甲醛的pH响应型水凝胶，该材料不仅具备优异的抗菌和抗氧化性能，还能够根据环境变化进行动态调节。其制备方法简单、成本低廉，且对环境友好，展现出广阔的应用前景。随着对新型抗菌材料研究的不断深入，这种水凝胶有望在临床实践中发挥重要作用，为解决抗生素滥用问题和促进伤口愈合提供新的思路和方法。