微环境反馈水凝胶用于急性感染性伤口的精准顺序修复

《Biomedical Journal》：Microenvironment-feedback hydrogel for precise sequential repair of acute infectious wounds

本研究开发了一种基于pH响应的SA/CMCS水凝胶，负载鞣酸（TA）和锌掺杂生物玻璃（BAG）。酸性环境下，水凝胶收缩释放TA以抑制细菌，碱性环境下膨胀释放Ca2?和Zn2?促进修复。体外实验显示该水凝胶有效抑制E coil和S aureus生物膜形成，降低炎症因子CD86和iNOS，上调抗炎M2标志物CD206，并显著减少ROS水平。体内实验表明，复合水凝胶组14天内完全闭合伤口，胶原沉积量提升40%，且未观察到溶血现象。该材料通过精准调控pH响应释放机制，实现了从抗菌到促修复的功能转换，为急性感染性伤口治疗提供了新策略。

　　### 深入解析pH响应型水凝胶在急性感染伤口治疗中的应用

#### 引言：伤口愈合的复杂性与传统治疗手段的局限性

皮肤作为人体最大的器官，承担着防御外界物理、化学和生物威胁的重要功能，同时也负责维持体液和电解质的平衡。然而，由于其位于身体的最外层，皮肤极易受到损伤。伤口通常根据愈合过程的持续时间分为急性和慢性两种类型。在临床实践中，急性感染性伤口较为常见，其治疗难度较大，因为这些伤口不仅会导致局部组织损伤，还可能引发全身性炎症反应，甚至促进感染的扩散。传统的伤口敷料主要作为被动屏障，覆盖伤口并附着于受损组织表面，其功能局限于防止外部病原体的侵入。然而，这些材料在管理伤口渗出液方面的能力有限，导致局部湿度和温度不稳定，随着时间推移，其吸收渗出液和保护屏障的功能逐渐减弱，增加了感染的风险。此外，传统敷料通常缺乏固有的抗菌性能，无法主动抑制微生物的生长，也未能提供细胞迁移和新组织形成所需的湿润环境。它们还缺乏促进组织修复所需的生物活性成分，从而阻碍了感染性伤口的愈合过程。

因此，开发先进的治疗策略以管理急性感染性伤口已成为临床医学和伤口护理研究中的重要课题。急性感染性伤口的愈合过程是一个动态的、多阶段的生物学进展，包括炎症、增殖和重塑三个阶段。每个阶段都有其特定的生理和病理特征，因此，理想的敷料应能够动态适应伤口愈合的不同阶段。在最初的抗菌阶段，敷料应具备有效的抗感染性能，及时抑制病原微生物的生长，防止感染进一步扩散。一旦感染得到控制，敷料应迅速转换功能，支持抗炎活性和组织修复，促进细胞增殖、血管生成和组织重塑，从而加快伤口愈合过程。

鉴于此，研究者们致力于开发具有多重功能的敷料，能够根据伤口微环境的变化进行功能转换，从而实现更精准的治疗效果。近年来，水凝胶因其优异的生物相容性和可调节的物理化学性质，在生物医学工程、药物输送和组织工程领域得到了广泛应用。特别是在感染性伤口的治疗中，水凝胶的pH响应特性为实现这种功能转换提供了新的可能性。在感染初期，伤口微环境通常呈现酸性，而在愈合过程中，微环境逐渐向弱碱性转变。因此，pH响应型水凝胶能够根据伤口微环境的变化，动态适应从抗感染到促进愈合的生理过程，展现出巨大的应用潜力。

#### 材料与方法：构建pH响应型水凝胶

为了实现这种动态响应，研究团队设计了一种基于海藻酸钠（SA）和羧甲基壳聚糖（CMCS）交联网络的pH响应型水凝胶，并将单宁酸（TA）和掺杂锌的生物玻璃（BAG）作为功能性组分引入。TA和BAG的负载是通过氢键和疏水相互作用完成的，以确保其在不同pH条件下的可控释放。在酸性环境中，由于分子间非共价相互作用的增强，水凝胶网络会发生收缩，从而加速TA的释放。而在碱性环境中，分子间相互作用减弱，水凝胶网络膨胀，持续释放锌和钙离子，以支持血管生成和抗炎作用，从而加速伤口愈合。

在材料表征方面，研究者采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，以评估水凝胶的化学结构、表面元素组成、晶体结构和微观形态。此外，通过能量色散X射线光谱（EDS）进一步分析了水凝胶的元素分布情况，确认了TA和BAG的成功结合。为了评估水凝胶的pH响应特性，研究团队在pH 5.5和pH 7.4的缓冲液中进行TA和BAG释放的实验，分别模拟了感染初期和愈合过程中的微环境条件。

在细胞相容性评估中，研究者采用了划痕实验、细胞骨架染色和活/死细胞染色等多种方法。划痕实验用于评估水凝胶提取物对人脐静脉内皮细胞（HUVECs）迁移能力的影响，而细胞骨架染色则提供了关于细胞形态和活性的直观信息。活/死细胞染色则用于量化细胞存活率，评估水凝胶的细胞毒性。这些实验共同验证了水凝胶在不同pH条件下的生物相容性，确保其在实际应用中的安全性。

#### 实验结果与讨论：pH响应型水凝胶的性能表现

在实验结果中，SA/CMCS/TA/BAG水凝胶在pH 5.5的酸性条件下表现出快速释放TA的能力，达到约50%的累积释放率。这种快速释放机制有助于在感染初期迅速抑制病原微生物的生长，防止感染的进一步扩散。而在pH 7.4的碱性条件下，水凝胶网络的膨胀促进了锌和钙离子的持续释放，支持血管生成和组织修复过程。这些结果表明，水凝胶能够根据伤口微环境的变化，实现功能的动态转换，从而提供更加精准的治疗策略。

此外，研究团队还评估了水凝胶的抗菌性能。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和菌落形成单位（CFU）检测，发现SA/CMCS/TA/BAG水凝胶在所有实验中均表现出显著的抗菌效果，尤其是在酸性条件下，其抗菌性能优于仅含有BAG的水凝胶。这表明TA在酸性环境中的作用更为显著，而BAG则在碱性条件下发挥持续的抗菌和修复作用。通过调节水凝胶的成分和结构，研究团队成功实现了抗菌与修复功能的阶段性释放，为感染性伤口的治疗提供了新的思路。

在抗炎性能方面，SA/CMCS/TA/BAG水凝胶显著抑制了M1型巨噬细胞的激活，同时促进了M2型巨噬细胞的极化。这种双相调节机制有助于维持一个平衡的炎症环境，从而加速伤口愈合。此外，水凝胶还表现出良好的抗氧化性能，能够有效清除过量的活性氧（ROS），减少氧化应激，保护细胞免受损伤。这些结果进一步证明了水凝胶在促进组织修复方面的潜力。

在血管生成方面，SA/CMCS/TA/BAG水凝胶显著促进了内皮细胞的迁移和血管样结构的形成，表明其具有良好的血管生成能力。这不仅有助于改善局部供氧和营养供应，还支持了组织的修复和重塑过程。同时，水凝胶的成分在不同阶段的作用机制也得到了详细探讨，TA在炎症阶段通过其抗氧化和抗炎特性为血管生成提供了有利的微环境，而BAG则通过持续释放生物活性离子支持血管生成和组织修复。

在溶血实验中，SA/CMCS/TA/BAG水凝胶表现出极低的溶血率，低于5%，表明其具有良好的血液相容性。这一特性对于避免对伤口微环境的干扰至关重要，确保了水凝胶在实际应用中的安全性。

#### 结论：pH响应型水凝胶的临床应用前景

综上所述，该研究开发了一种基于SA和CMCS的pH响应型水凝胶，能够根据伤口微环境的变化实现抗菌和修复功能的动态转换。这种设计不仅能够有效抑制感染，还能促进组织修复，为急性感染性伤口的治疗提供了一种新型的、精准的策略。通过结合TA和BAG的功能特性，水凝胶能够在不同阶段提供针对性的治疗效果，从而加速伤口愈合过程。

研究结果表明，该水凝胶在体外和体内均表现出优异的性能，包括良好的抗菌效果、抗炎能力、抗氧化特性以及促进血管生成和组织修复的潜力。这些特性使其成为一种具有广泛应用前景的新型伤口敷料，有望在临床实践中发挥重要作用。此外，该水凝胶的设计理念强调了材料的多功能性和生物相容性，为未来开发更智能、更高效的伤口治疗材料提供了理论基础和技术支持。

#### 研究团队贡献与伦理声明

本研究的作者包括多位来自复旦大学附属中山医院闵行分院的科学家，他们在材料设计、实验实施和数据分析等方面做出了重要贡献。研究团队通过系统的实验设计和严谨的数据分析，验证了该pH响应型水凝胶在急性感染性伤口治疗中的有效性。此外，研究团队遵循了NIH指南和机构动物护理与使用委员会（IACUC）的伦理要求，确保实验的科学性和伦理性。

总体而言，该研究不仅在材料科学和生物医学工程领域取得了重要进展，也为急性感染性伤口的治疗提供了新的思路和方法。通过开发一种能够根据伤口微环境变化进行功能转换的水凝胶，研究团队成功实现了对感染性伤口的精准治疗，为未来临床应用奠定了坚实的基础。