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这篇综述聚焦于细菌感染伤口治疗，阐述纳米酶（Nanozymes）和水凝胶（Hydrogels）联合应用的研究进展。纳米酶可通过多种机制杀菌、消除生物膜且不易产生耐药性，水凝胶能提升其适用性。二者结合在抗菌、促愈合等方面优势显著，为慢性伤口治疗带来新希望。
引言
慢性伤口，像糖尿病溃疡、烧伤和压疮等，在临床伤口护理中是一大难题。细菌感染是导致慢性伤口难以愈合的重要因素，细菌形成的生物膜会阻碍伤口愈合，增加治疗难度，还可能引发全身感染，所以迫切需要新的治疗方法。纳米酶作为一类有内在酶活性的纳米材料，在治疗细菌感染和促进伤口愈合方面展现出潜力，不过其单独应用存在一些问题。水凝胶具有高水化能力、良好生物相容性等优点，可作为纳米酶的载体。纳米酶 - 水凝胶系统结合了两者优势，为慢性细菌感染伤口的治疗提供了新途径。
细菌感染和生物膜形成
细菌感染和生物膜形成是慢性伤口愈合的重大阻碍。当细菌附着在伤口表面，如果没被免疫系统清除或抗生素治疗，就会逐渐积累形成生物膜。生物膜是微生物分泌的保护层，由多糖、蛋白质和少量 DNA 组成，能保护细菌免受外界攻击，增强其耐药性，使得伤口愈合延迟，治疗更加困难。而且，长期使用抗生素还可能导致耐药菌株出现，因此急需新的治疗策略来消除生物膜，促进伤口愈合。
多功能纳米酶
纳米酶的分类
目前已发现和设计出多种抗菌纳米酶，根据元素组成、形态和结构，可分为金属基纳米酶（如铁基、铜基、贵金属基等）、碳基纳米酶（如碳纳米管、石墨烯及其衍生物）、过渡金属基纳米酶、单原子纳米酶和金属 - 有机框架（MOFs）基纳米酶。这些纳米酶具有多种类酶催化活性，还具备磁性、近红外（NIR）吸收等功能。
纳米酶的抗菌机制
纳米酶的抗菌机制主要有以下几种：
- 调节 ROS 生成：活性氧（ROS）在高浓度时可破坏细胞和微生物结构。具有过氧化物酶（POD）样活性的纳米酶能催化分解低浓度的 H2O2生成强氧化性的?OH，增强抗菌效果；一些纳米酶还具有氧化酶（OXD）样活性，可直接催化产生 ROS，甚至有些纳米酶兼具多种酶活性，能协同杀菌。此外，部分纳米酶具有抗氧化酶活性，如超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT），可清除伤口多余 ROS，减轻炎症，促进愈合123。
- 通过 HOBr/Cl 生成对抗细菌生物膜：群体感应（QS）系统参与细菌生物膜形成。具有卤过氧化物酶（HPO）样活性的纳米酶可催化卤离子转化为次卤酸，抑制生物膜形成。不过，其 HPO 样活性依赖于微量 H2O2，限制了实际应用，目前有研究通过 CaO2缓慢产生 H2O2来解决这一问题45。
- 去除细胞外 DNA：细胞外 DNA（eDNA）是生物膜的重要组成部分，对维持生物膜完整性至关重要。许多具有脱氧核糖核酸酶（DNase）活性的纳米酶可清除 eDNA，抑制生物膜形成，还能暴露细菌，便于其他杀菌手段发挥作用67。
联合多功能纳米酶的抗菌策略
- 协同抗菌治疗：基于纳米酶的固有特性，发展了多种协同抗菌模式。如纳米酶与光热疗法（PTT）结合，纳米酶作为光热剂吸收 NIR 能量，通过热效应杀死细菌，同时其酶样特性可增强催化活性和 ROS 生成效率；与磁热疗法结合，在交变磁场（AMF）作用下，纳米酶通过磁热效应产热，破坏生物膜，提高酶活性促进 ROS 生成；与声动力疗法（SDT）结合，利用超声产生 ROS，治疗深部组织感染；与表面粘附疗法结合，通过增强纳米酶与细菌的粘附，提高抗菌效率；与机械杀菌疗法结合，纳米酶可通过物理机械作用穿透细菌包膜，实现长效抗菌89。
- 基于纳米酶的级联催化抗菌疗法：纳米酶增强的级联反应系统在生物医学领域应用前景广阔，常见的级联催化系统包括葡萄糖氧化酶 - 过氧化物酶（GOx - POD）、SOD - 过氧化氢酶（SOD - CAT）等。以 GOx - POD 级联催化为例，GOx 与葡萄糖反应产生 H2O2，POD 再将其转化为?OH，实现抗菌和促进伤口愈合的效果。
用于伤口愈合的水凝胶
组成
水凝胶可分为物理交联水凝胶、化学交联水凝胶和杂化交联水凝胶。物理交联水凝胶通过分子间相互作用形成三维结构，如氢键、静电相互作用等，具有良好的生物降解性和抗菌性；化学交联水凝胶通过化学交联剂形成不可逆共价键或动态共价键，具有较高的机械强度；杂化交联水凝胶结合了两者的优点，兼具高机械强度和韧性1011。
功能特性
- 物理特性：水凝胶具有自愈合和可注射特性，能自我修复损伤，适应伤口形状，更好地输送生物活性分子；还具有粘附特性，可防止敷料脱落和细菌入侵，加速止血；部分水凝胶具有抗菌 / 抗生物膜特性，能抑制细菌生长1213。
- 抗炎和抗氧化特性：伤口炎症期会产生大量 ROS，损伤细胞，延缓伤口愈合。一些水凝胶具有抗炎和抗氧化特性，可清除自由基，促进伤口愈合14。
- 负载和药物释放：水凝胶独特的三维网状结构使其成为良好的药物载体，可负载多种生物因子，实现药物的缓慢释放，加速伤口愈合15。
- 刺激响应特性、导电性和伤口监测：部分水凝胶能对外界刺激如温度、光等产生响应，改变自身性质；水凝胶的导电性可模拟人体自然内源性电场，促进细胞迁移和伤口愈合；此外，水凝胶还可用于伤口监测，实时了解伤口恢复情况16。
多功能纳米酶 - 水凝胶系统在感染伤口中的应用
纳米酶 - 水凝胶敷料在感染伤口中的应用
近年来，研究人员构建了多种多功能纳米酶 - 水凝胶敷料。这些敷料结合了纳米酶的抗菌特性和水凝胶的优点，能通过多种抗菌模式协同作用，有效促进伤口愈合，在治疗糖尿病伤口等方面也展现出良好效果1718。
纳米酶 - 水凝胶微针在感染伤口中的应用
微针（MN）可穿透皮肤屏障，实现药物的微创经皮递送。纳米酶 - 水凝胶微针能直接破坏生物膜，将纳米酶输送到细菌微环境，提高抗菌和抗生物膜能力。此外，纳米酶 - 水凝胶微针在治疗糖尿病伤口方面也有应用，可提高杀菌效率，促进伤口愈合1920。
3D 打印纳米酶水凝胶在感染伤口中的应用
3D 打印技术可制备具有复杂结构的水凝胶支架，负载多种药物，在伤口治疗中应用广泛。3D 打印纳米酶水凝胶具有抗菌和清除 ROS 的能力，在治疗糖尿病伤口和创伤感染方面前景良好，能促进伤口愈合和组织修复2122。
多功能纳米酶 - 水凝胶生物粘合剂在感染伤口中的应用
纳米酶 - 水凝胶生物粘合剂具有良好的粘附性、生物相容性和机械性能，能避免二次伤口损伤，促进伤口愈合。在治疗糖尿病伤口方面，其可通过多种协同作用，有效促进伤口愈合，相比传统外科技术具有明显优势2324。
挑战与展望
挑战
- 生物相容性设计：确保纳米酶和水凝胶的生物相容性至关重要，未来需选择高生物相容性材料，评估长期毒性和免疫原性，研究其体内降解行为和代谢途径，开发可生物降解系统25。
- 组织相容性和机械性能优化：纳米酶 - 水凝胶系统需具备良好的组织相容性，根据伤口条件调整机械性能，优化生物响应性、细胞粘附和增殖能力，可通过材料改性实现26。
- 深入研究抗菌机制：虽然纳米酶 - 水凝胶系统具有抗菌活性，但具体机制尚不清楚，未来需研究其抑制细菌生长和破坏生物膜的具体方式，结合计算化学和机器学习优化纳米酶设计27。
- 临床转化挑战：将该系统从实验室研究转化为临床应用面临诸多挑战，如设计有效的临床试验评估疗效和安全性、符合监管标准、平衡成本和疗效等，还需开展临床前和临床试验28。
- 环境和经济可行性：需评估纳米酶和水凝胶的生命周期，开发环保生产工艺，降低生产成本，确保大规模生产和临床应用的经济可行性29。
- 进一步优化纳米酶 - 水凝胶系统：需优化药物释放控制、稳定性和生物降解性，研究纳米酶和水凝胶的相互作用，提高催化效率和稳定性30。
展望
- 个性化治疗潜力：随着精准医学发展，纳米酶 - 水凝胶系统有望实现个性化治疗，根据伤口类型、患者特征和细菌菌株设计定制化治疗方案31。
- 智能治疗系统的发展：未来该系统有望更加智能，能根据伤口环境变化自动调整药物释放，提高治疗精度，减少副作用32。
- 多功能治疗的扩展：除抗菌外，该系统可结合抗炎因子、免疫调节分子等实现多功能治疗，同时解决伤口感染、炎症反应和组织修复问题33。
- 新型可生物降解材料的开发：随着对环境可持续性的要求提高，未来将研发新型高效可生物降解水凝胶，减少体内残留34。
- 临床转化的跨学科合作：纳米酶 - 水凝胶系统的临床转化需要多学科合作，加速系统的开发和临床应用35。
- 环境和经济可持续性：未来研究将注重开发环保制造工艺和低能耗材料，降低生产成本，提高经济可行性36。
- 组织再生和修复的研究：未来可探索该系统在组织再生和修复领域的应用，如内脏器官损伤、骨折愈合和神经修复等37。
- 深入理解伤口愈合机制：未来研究将深入探讨纳米酶 - 水凝胶系统与伤口愈合分子机制的相互作用，设计更精准的治疗策略38。
结论
本综述探讨了纳米酶在抗菌和破坏生物膜方面的研究进展，总结了水凝胶的分类和特性。纳米酶的多种酶活性和物理杀菌机制协同作用，具有优异的杀菌性能；水凝胶的粘附、抗炎等特性在伤口治疗中优势明显。纳米酶 - 水凝胶系统为生物医学领域提供了新的治疗策略，不过在临床应用前还需解决诸多挑战。
