多功能FeSN纳米酶掺杂水凝胶：一种具有前景的抗菌治疗和伤口修复策略

《Biomaterials Advances》：Multifunctional FeSN nanozyme-doped hydrogel: A promising strategy for antibacterial therapy and wound repair

纳米酶作为抗生素替代品因广谱抗菌活性而备受关注，但其催化活性不足和细菌捕获效率低制约应用。本研究开发FeSN-PA-Gel粘性明胶复合水凝胶，集成铁基纳米酶与聚酚交联体系，实现过氧化酶（POD）、一氧化氮氧化酶（NOx）及谷胱甘肽氧化酶（GSH）协同催化，同时增强细菌表面粘附能力。体内实验证实该复合水凝胶在感染伤口模型中具有显著抑菌效果，且不依赖外源H2O2，为创面护理提供新策略。

　　纳米酶作为一种新兴的抗菌材料，因其广谱抗菌活性和较低的诱导耐药风险，正逐渐成为抗生素的有力替代品。然而，纳米酶在实际应用中仍面临一些挑战，例如催化活性有限以及难以有效捕获细菌。为了解决这些问题，研究人员开发了一种新型的粘附性明胶复合水凝胶，命名为FeSN-PA-Gel，该水凝胶嵌入了以多酚交联的铁基纳米酶。这一系统不仅具备过氧化物酶（POD）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶（NOx）和谷胱甘肽氧化酶（GSH）的模拟活性，还具有良好的细菌粘附性能。通过将高催化活性的抗菌纳米酶与粘附性明胶水凝胶基质相结合，该系统实现了高效的细菌抑制效果。在小鼠感染伤口模型的体内评估中，该新型纳米酶复合水凝胶展现出了在先进伤口护理领域应用的巨大潜力。

伤口细菌感染是临床治疗中的一个重大挑战，它不仅会阻碍伤口愈合，还会在严重情况下通过持续的炎症反应加重组织损伤。因此，对致病菌进行有针对性的清除至关重要，这有助于加速愈合并预防诸如持续性炎症和组织坏死等并发症。抗生素的出现最初为这一问题提供了有效的解决方案，然而其过度使用导致了抗生素耐药性的严重问题，尤其是金黄色葡萄球菌（S. aureus）等病原体的耐药性迅速上升，使得传统抗生素治疗方式逐渐失效。面对这一严峻形势，研究者们开始探索新的抗菌材料，其中金属纳米酶因其模拟酶的催化活性而成为备受关注的候选材料。

近年来，金属纳米酶在抗菌领域的研究取得了显著进展，显示出其在对抗耐药性感染方面的巨大潜力。这些材料具有广谱抗菌性能、良好的生物相容性以及较低的耐药诱导风险。在众多抗菌金属纳米酶中，银纳米颗粒（AgNPs）、铜基材料（如CuO、CuS、CuSACs）以及铁基纳米材料（如Fe3O4纳米颗粒、FeS）是最常被研究的几种。这些材料的抗菌效果因其独特的组成和作用机制而有所不同。尤其是铁基纳米材料，因其低生物毒性、可调节的氧化还原特性和多种抗菌机制而受到广泛关注。

大多数抗菌纳米酶的作用机制依赖于过氧化物酶（POD）样活性，通过催化过氧化氢（H2O2）转化为羟基自由基（•OH），从而破坏细菌的关键细胞结构和生物分子。然而，这种机制的实现需要外部提供H2O2。在之前的研究中，我们发现通过补充H2O2可以显著增强生物合成的AgNPs对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌效果。为了克服对H2O2的依赖，一些研究者尝试将葡萄糖氧化酶（GOx）引入抗菌系统，通过葡萄糖的氧化反应现场生成H2O2。然而，这种方法也存在一定的问题，例如GOx的变性以及H2O2的细胞毒性积累。因此，近年来一些研究团队开始设计结合POD样和氧化酶（OXD）样活性的多功能酶模拟物，以提高抗菌效率并减少副作用。

在这一背景下，我们提出了一种基于明胶的多功能水凝胶系统FeSN-PA-Gel，该系统整合了多酚交联的铁基纳米酶（FeSN）。铁基纳米酶因其广泛的催化性能和显著的抗菌效果而被选中，这些特性已在生物医学领域得到了充分验证。我们团队通过一种简便的方法合成了FeSN，并发现其具有良好的POD样活性和抗菌性能。在本研究中，我们进一步揭示了FeSN通过谷胱甘肽氧化酶和NOx模拟活性实现的H2O2非依赖性抗菌机制，能够有效生成羟基自由基，从而破坏细菌的结构和功能，而无需外部补充H2O2。此外，FeSN-PA-Gel系统通过增强表面粘附性能，实现了对细菌的高效捕获。这一双重功能的协同作用使得FeSN-PA-Gel在抗菌性能和伤口修复方面表现出色，有效克服了现有纳米酶疗法的一些关键限制，如抗菌活性的持续性和水凝胶在伤口愈合过程中的机械稳定性。

在材料的选择方面，本研究使用了多种商业来源的试剂，并确保其未经进一步纯化。其中，三氯化铁（FeCl3）、醋酸钠、NADH和二氯荧光素（DCF）由上海阿拉丁公司提供；乙二醇、硫代巴比妥酸（TBA）和2,7-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）由Sinopharm Group Chemical Reagents Co.（中国）供应；邻苯二甲酸二硝基苯甲酸（DTNB）、谷胱甘肽（GSH）、半胱氨酸和组氨酸则由上海麦克林生化科技有限公司提供。这些试剂在实验中被用于合成和表征FeSN纳米酶，以及评估其抗菌性能。

FeSN纳米酶的合成采用了一种两氨基酸组装方法，通过硫和氮的双元素配位作用，形成了规则的纳米花结构（如图1A-C所示）。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，我们检测到了在3380 cm?1处的-NH?基团和在1650 cm?1处的-NO?基团。此外，在1300-1500 cm?1范围内的峰进一步证实了CONH?的存在，从而验证了氨基酸与Fe离子的初始结合。这些结果表明，FeSN纳米酶的结构得到了成功构建，并且其化学组成符合预期。

为了进一步了解FeSN纳米酶的晶体结构，我们采用了X射线衍射（XRD）等技术进行表征。XRD图谱显示，FeSN纳米酶具有特定的晶格结构，表明其在合成过程中形成了有序的纳米结构。这种结构不仅有助于提高其催化活性，还增强了其在水凝胶基质中的分散性和稳定性。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，FeSN纳米酶呈现出规则的纳米花形态，其表面具有丰富的孔隙结构，有利于与细菌的相互作用和抗菌物质的释放。

在抗菌性能的评估中，FeSN-PA-Gel系统展现出卓越的抑制效果。通过体外实验，我们发现该水凝胶能够在多种细菌模型中有效抑制细菌的生长，包括大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。实验结果显示，FeSN-PA-Gel不仅能够通过其多酶模拟活性产生足够的羟基自由基，还能够通过其增强的表面粘附性能有效捕获细菌。这种双重作用机制使得FeSN-PA-Gel在抗菌效率上显著优于传统的单一纳米酶材料。

此外，FeSN-PA-Gel系统还具备良好的生物相容性，这使其在实际应用中更加安全可靠。通过细胞毒性测试，我们发现该水凝胶对哺乳动物细胞的毒性较低，表明其在生物体内使用时具有较低的副作用。同时，该水凝胶具有优异的机械性能，能够保持其结构完整性，即使在伤口愈合过程中也能够维持其抗菌功能。这些特性使得FeSN-PA-Gel在伤口护理领域具有广泛的应用前景。

在体内实验中，我们使用了小鼠感染伤口模型来评估FeSN-PA-Gel系统的实际效果。实验结果表明，该水凝胶在感染伤口的治疗中表现出良好的抗菌性能，能够有效抑制细菌的生长并促进伤口的愈合。通过观察伤口愈合的进程，我们发现FeSN-PA-Gel系统不仅能够快速清除细菌，还能通过其多酶模拟活性持续产生抗菌物质，从而提供长期的抗菌保护。这些结果进一步验证了FeSN-PA-Gel在实际应用中的潜力，为开发新型抗菌材料提供了重要的参考依据。

综上所述，FeSN-PA-Gel水凝胶系统通过整合多酚交联的铁基纳米酶与明胶基质，实现了多功能抗菌性能。该系统不仅具备H2O2非依赖性的抗菌机制，还能够通过增强的表面粘附性能有效捕获细菌，从而提供高效的抗菌保护。在体内实验中，该系统展现出了良好的抗菌效果和促进伤口愈合的能力，为感染伤口的治疗提供了新的解决方案。未来，我们期待进一步优化该系统的性能，并探索其在更广泛生物医学应用中的潜力。