两亲性共聚物胶束交联的多重响应性抗菌动态共价水凝胶的构建与应用研究

《Gels》：Multi-Responsive and Antibacterial Dynamic Covalent Hydrogels Cross-Linked by Amphiphilic Copolymer Micelles

本文开发了一种由季铵化两亲共聚物（Q-C8PEG-n）胶束与苯硼酸接枝的透明质酸（HA-PBA）通过动态硼酸酯键交联构建的多重响应性（温度/pH/葡萄糖/H2O2）抗菌水凝胶（Gel）。该平台兼具可调的刺激响应性、优异的药物包封（如尼罗红，Nile red）能力和强大的抗菌活性（尤其对金黄色葡萄球菌，S. aureus），为智能伤口敷料和组织工程提供了创新策略。

　　

摘要

动态共价水凝胶因其多重响应性和抗菌性能，在生物医学领域如智能伤口敷料和可控药物递送方面展现出巨大潜力。本研究成功合成了一系列具有可调季铵化度的两亲性季铵化共聚物（Q-C8PEG-n），并通过多种手段进行了表征。这些共聚物与苯硼酸接枝的透明质酸（HA-PBA）通过可逆的硼酸酯键（由B-N配位稳定）交联，形成了动态共价水凝胶（Gel）。该水凝胶表现出多重响应性，可在酸性或碱性条件以及葡萄糖或H₂O₂存在下降解。其多孔微观结构有利于药物高效包封，体外抗菌测试显示季铵化后抗菌效力显著增强，尤其对金黄色葡萄球菌（S. aureus）有强活性。此胶束交联平台协同结合了可调的刺激响应性与固有的抗菌特性，在伤口愈合和组织工程应用中前景广阔。

1. 引言

细菌感染是伤口愈合过程中的重大挑战。传统敷料功能有限，而水凝胶因其优异的生物相容性、高含水量和可调的孔隙率等特性成为有前景的材料。特别是基于透明质酸（HA）的水凝胶，在组织再生和药物递送方面被广泛研究。动态共价键（如硼酸酯键）的引入赋予了水凝胶刺激响应性、自愈合等先进特性。刺激响应性水凝胶能响应环境变化（如pH、温度），促进伤口修复和药物释放。结合抗菌功能（如季铵盐基团）可进一步对抗感染。本研究在前述工作基础上，旨在开发一种兼具多重响应性和抗菌性能的动态共价水凝胶平台。

2. 结果与讨论

2.1. 共聚物的合成与表征

C8PEG通过聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDE）与正辛胺（C8-NH₂）的胺-环氧点击反应合成。随后，通过添加不同浓度的碘甲烷（CH₃I）对其进行季铵化，得到Q-C8PEG-n。核磁共振氢谱（¹H NMR）和COSY谱图证实了季铵化的成功进行，显示季铵化后相关质子化学位移的明显变化。傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步验证了化学结构，季铵化后出现了与N-CH₃相关的增强峰。

Q-C8PEG-n共聚物在水溶液中表现出热响应行为，其浊点温度（Tcp）随季铵化度增加而升高（Q-C8PEG-1: 27.6 °C, Q-C8PEG-2: 31.3 °C, Q-C8PEG-3: 34.4 °C），这是由于亲水性增强所致。临界胶束浓度（CMC）测定显示，随着季铵化度增加，CMC值增大（C8PEG: 0.08 wt%, Q-C8PEG-1: 0.29 wt%, Q-C8PEG-2: 0.37 wt%, Q-C8PEG-3: 0.93 wt%），表明自组装倾向降低。动态光散射（DLS）显示胶束流体动力学直径随季铵化度增加（Q-C8PEG-1: ~70 nm, Q-C8PEG-2: ~120 nm, Q-C8PEG-3: ~126 nm）。透射电子显微镜（TEM）观察到球形胶束结构（直径50-70 nm）。Zeta电位测量表明胶束表面正电荷随季铵化度增加（Q-C8PEG-1: +6.35 mV, Q-C8PEG-2: +15.9 mV, Q-C8PEG-3: +27.6 mV）。以尼罗红（Nile red）为模型药物，Q-C8PEG-3胶束的载药量（DLC）和包封率（EE）分别约为0.42%和26.78%。

2.2. 水凝胶的合成与表征

将Q-C8PEG-3胶束（因其具有最高的可形成胶束的季铵化度）与HA-PBA混合，通过硼酸酯键和B-N配位形成水凝胶（Gel）。流变学测试表明该水凝胶在25°C和37°C均表现出粘弹性固体行为，且在37°C时储能模量（G’）略有下降，显示出热响应性。

水凝胶表现出多重响应性：在酸性或碱性溶液中0.5小时内完全降解；在3% H₂O₂溶液中0.5小时内完全降解并伴随溶液变黄和气体释放；在30 mg/mL葡萄糖溶液（pH 7.4）中0.5小时后仅发生轻微结构弱化。水凝胶在去离子水、PBS、葡萄糖溶液和乙醇-水混合物中浸泡24小时仅发生溶胀而不溶解，显示出良好的稳定性。扫描电子显微镜（SEM）显示冻干水凝胶具有三维互联多孔结构，孔径主要在8-15 μm之间。

2.3. 体外抗菌性能

通过抑菌圈法评估了C8PEG、Q-C8PEG-3溶液及水凝胶（Gel）的抗菌性能。季铵化后，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌圈显著增大。水凝胶对金黄色葡萄球菌保持了与Q-C8PEG-3溶液相当的强抗菌活性（抑菌圈约14 mm），但对大肠杆菌的活性略有下降，可能由于交联基质限制了季铵化胶束的扩散。

2.4. 尼罗红从水凝胶中的体外释放

在pH 7.4的PBS中，尼罗红从水凝胶中的释放曲线呈两相特征：初始阶段（0-15小时）有突释，随后（15-24小时）进入缓释阶段，24小时累积释放率约为52%。

3. 结论

本研究成功合成并表征了一系列具有可调季铵化度的两亲性季铵化共聚物（Q-C8PEG-n）。Q-C8PEG-3胶束与HA-PBA通过动态硼酸酯键交联形成的水凝胶（Gel）具有多重响应性、多孔结构和良好的抗菌性能（尤其对S. aureus），并能实现模型药物的可控释放。该平台结合了可调的刺激响应性和固有的抗菌特性，在智能伤口敷料、组织工程支架和可控药物递送系统等生物医学应用中具有重要潜力。后续研究需评估其体内生物相容性。

4. 材料与方法

详细描述了所用材料、C8PEG和Q-C8PEG-n的合成方法、聚合物表征技术（NMR, FTIR）、胶束性质表征（DLS, TEM, Zeta电位, CMC, Tcp）、尼罗红负载、水凝胶形成与表征（SEM, 流变学）、多重响应性行为评估、体外药物释放和抗菌性能测试的实验步骤。