一种具有攻防一体化功能的 Janus 粘性水凝胶用于杀菌与防污的研究

本文设计了一种 Janus 粘性双层水凝胶（PSAP/DXP@AgNPs），其原位银纳米颗粒（AgNPs）可杀菌，含两性离子聚（甲基丙烯酰氧乙基磺基甜菜碱）（PSBMA）的水合层能防污。该水凝胶生物相容性良好，在治疗感染性皮肤伤口方面极具潜力。

　　### 引言
皮肤作为人体最大的外露器官，肩负着保护内部器官免受损伤和微生物侵袭的重任。在美国，每年有超 600 万人受伤口问题困扰，治疗费用超 250 亿美元。当皮肤受伤时，伤口极易遭受细菌感染，阻碍愈合进程，严重时甚至会危及生命。临床常用的伤口处理方式是先用 75% 酒精或碘溶液消毒，再用棉纱布覆盖。然而，棉纱布缺乏内在抗菌性，且与皮肤贴合不佳，容易引发二次感染。因此，开发具有持久抗菌性且使用方便的伤口敷料迫在眉睫。

粘性水凝胶凭借其可调节的三维结构，不仅能维持伤口湿润环境、保证透气性，促进新陈代谢和伤口愈合，还无需生物胶带辅助固定，是传统医用纱布的潜在替代品。此前有研究报道多种抗菌水凝胶敷料，但都存在一些弊端。例如，负载抗生素的水凝胶可能导致细菌耐药性增加；基于壳聚糖的水凝胶抗菌性能不稳定；掺杂银纳米颗粒的水凝胶存在颗粒分布不均、聚集等问题，影响抗菌效果。

此外，双面粘性的杀菌水凝胶暴露在复杂环境中易被外来细菌污染，细菌一旦附着在水凝胶敷料上，可能会进一步侵入伤口，引发二次感染。水凝胶敷料外表面的抗蛋白污染性能对其抗细菌污染性能至关重要。聚乙二醇（PEG）和两性离子聚合物都具有一定的抗污性能，其中两性离子聚（甲基丙烯酰氧乙基磺基甜菜碱）（PSBMA）表现更为出色。

基于此，本文成功制备了一种具有攻防一体化功能的 Janus 粘性双层水凝胶（PSAP/DXP@AgNPs），用于抵抗皮肤伤口的细菌感染。该水凝胶的 DXP@AgNPs 层原位还原的银纳米颗粒可杀灭伤口处的现有细菌，PSAP 层的 PSBMA 成分则能防止外界细菌污染。同时，PSAP/DXP@AgNPs 的不对称粘附性使其能牢固固定在伤口处，无需医用胶带。研究人员对该水凝胶的组成 / 结构、机械性能、粘附性、溶胀性、表面抗污性、杀菌性能和生物相容性进行了严格测试，以评估其作为感染性皮肤伤口水凝胶敷料的适用性。

结果与讨论

1. PSAP/DXP@AgNPs 的组成和结构：通过紫外 - 可见分光光度计（UV-vis）、X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）等手段对 PSAP/DXP@AgNPs 水凝胶的组成和结构进行了表征。UV-vis 光谱显示，DCL 与银离子孵育后在 403nm 处出现明显吸收峰，表明原位生成了银纳米颗粒；XRD 结果进一步证实了银纳米颗粒的存在；FTIR 光谱分析了各层的化学组成；XPS 结果表明 PSAP 层和 DXP@AgNPs 层化学结构不同，PSBMA 单体部分渗透到 DXP@AgNPs 层，且银纳米颗粒仅分布在 DXP@AgNPs 层。扫描电子显微镜（SEM）观察到 PSAP 层呈现三维多孔网络结构，孔隙密度低、孔壁厚，DXP@AgNPs 层则为松散多孔结构，两层界面紧密结合。这种不对称结构有望提供阻挡细菌入侵和释放银纳米颗粒杀菌的双重功能。
2. PSAP/DXP@AgNPs 的机械性能、热稳定性和粘附性：拉伸实验表明，PSAP/DXP@AgNPs 具有良好的拉伸性能和疲劳抗性，其拉伸强度为 54.72kPa，应变可达 800%，拉伸韧性为 151.6kJ/m³ ，能适应皮肤的动态形状变化。热重分析（TGA）和导数热重分析（DTGA）显示，PSAP/DXP@AgNPs 具有良好的热稳定性，其热稳定性源于 PSAP 层的静电相互作用和 DXP@AgNPs 层稳定的无机银纳米颗粒。180° 剥离实验表明，PSAP/DXP@AgNPs 的界面韧性为 153.38J/m² ，高于 PSAP/DXP，且具有不对称粘附性，DXP@AgNPs 层能与皮肤紧密粘附，PSAP 层则表现出抗粘附现象，这有助于确保水凝胶敷料与伤口完全贴合，避免使用医用胶带带来的不便。
3. PSAP/DXP@AgNPs 的杀菌性能：通过抑菌圈实验、细菌计数和活 / 死染色实验评估了 PSAP/DXP@AgNPs 的杀菌性能。抑菌圈实验结果显示，PSAP 和 PSAP/DXP 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈几乎可以忽略不计，而 PSAP/DXP@AgNPs 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别形成了面积为 101.64mm² 和 100.78mm² 的明显抑菌圈。细菌计数和活 / 死染色实验表明，PSAP/DXP@AgNPs 对大肠杆菌的抗菌率高达 99%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为 88%，能有效杀灭感染伤口上的细菌，抑制伤口进一步恶化。
4. PSAP/DXP@AgNPs 的防污性能：以牛血清白蛋白（BSA）为模型蛋白，研究了 PSAP/DXP@AgNPs 的抗蛋白污染性能。结果表明，PSAP/DXP@AgNPs 对 BSA 的吸附量为 1.35μg/mm² ，低于类似 DXP@AgNPs 层的水凝胶，这得益于 PSAP 层的水化壳和致密网络结构对 BSA 吸附的限制。细菌防污实验显示，PSAP/DXP@AgNPs 的 PSAP 层能有效抵抗细菌粘附蛋白的锚定，减少细菌积累，降低二次感染风险；DXP@AgNPs 层释放的银纳米颗粒则能杀灭接触的细菌，限制其进一步增殖。
5. PSAP/DXP@AgNPs 的生物相容性：通过细胞毒性实验评估了 PSAP/DXP@AgNPs 的生物相容性。将 L929 细胞与不同样品共培养，采用 CCK - 8 法测定细胞活力，并用活 / 死染色和形态学染色观察细胞状态。结果显示，所有样品组的细胞活力在 1 天后均超过 90%，3 天后细胞呈现一定增殖，活 / 死染色和形态学染色结果表明细胞保持存活且形态良好，说明 PSAP/DXP@AgNPs 具有低细胞毒性和良好的生物相容性。

结论

本文设计的 Janus PSAP/DXP@AgNPs 水凝胶具有攻防一体化功能，有望同时杀灭伤口处的现有细菌并防止外界细菌污染。其独特的双层结构使其具有不同的微观结构，PSAP 层孔隙密度低，DXP@AgNPs 层结构松散。PSAP/DXP@AgNPs 具有良好的拉伸性能、疲劳抗性和热稳定性，能适应皮肤的动态变化。其不对称粘附性确保了与伤口的紧密贴合，无需医用胶带辅助固定。原位生成的银纳米颗粒具有显著的抗菌效果，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈明显，抗菌率高。PSAP 层的 PSBMA 成分能有效防止细菌污染。细胞实验证明该水凝胶生物相容性良好。因此，这种不对称粘附且具有攻防一体化功能的 PSAP/DXP@AgNPs 水凝胶在临床作为新型伤口敷料具有广阔的应用前景。

材料与方法

1. 主要试剂：实验中使用的多种试剂，如 XG、左旋多巴、丙烯酰氯等，均购自不同的公司，且所有化学试剂在使用前未经进一步纯化（特殊说明除外）。
2. PEGDA、levodopaMA 和 DCL 的合成：PEGDA、levadopaMA、DCL 和荧光素标记的 DCL 的合成步骤在补充材料中详细描述，其质子核磁共振（¹H NMR）光谱分别在相应图示中展示。
3. PSAP/DXP@AgNPs 水凝胶的制备：PSAP/DXP@AgNPs 水凝胶的双层结构通过在 DXP@AgNPs 层表面构建 PSAP 层形成。首先制备含原位银纳米颗粒的 DXP@AgNPs 层，再在其上聚合形成 PSAP 层。同时，采用类似方法制备了不含银纳米颗粒的双层水凝胶（PSAP/DXP）、PSAP 水凝胶和 DXP@AgNPs 水凝胶作为对照。
4. 表征方法：运用¹H NMR、UV-vis、FTIR、XPS、XRD、TGA、DTGA 和 SEM 等多种技术对样品进行表征，以确定其化学结构、晶体结构、热稳定性和微观形态等。
5. 拉伸机械性能测试：使用万能材料试验机在室温下对哑铃形水凝胶样品进行单轴拉伸测试，测定其拉伸强度、韧性和疲劳性能。
6. 粘附性能测试：通过 180° 剥离实验在质地分析仪上测定样品对新鲜猪皮的粘附性能，计算界面韧性值。
7. 溶胀率测试：将干燥后的样品浸泡在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中，根据浸泡前后的质量计算溶胀率。
8. 杀菌性能测试：通过抑菌圈实验、接触法细菌计数和活 / 死染色实验评估样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌性能。
9. 防污性能测试：基于特定协议测试样品对 BSA 的抗蛋白污染性能，并通过细菌与 PSAP/DXP@AgNPs 层共培养后的染色观察评估其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的防污性能。
10. 生物相容性测试：采用 L929 细胞浸出液培养实验，通过 CCK - 8 法测定细胞活力，用活 / 死染色和形态学染色观察细胞状态，评估样品的生物相容性。
11. 统计分析：所有数据均以 3 次独立实验的平均值 ± 标准差（SD）表示，使用 GraphPad Prism v.8.0 软件进行 Student’s t 检验或单因素方差分析（ANOVA）及 Tukey 多重比较检验。