金属-碳双网络增强铋基壳聚糖水凝胶的光响应性、抗菌活性及促伤口愈合性能研究

针对抗生素耐药性及慢性伤口治疗难题，西北农林科技大学团队开发了一种基于铋-碳双网络结构的壳聚糖/聚乙烯醇光动力抗菌水凝胶(PAH-CP/BC@Bi)。该研究通过构建Bi2 O3 -生物质碳异质结，显著提升光生载流子分离效率，在可见光下产生过量活性氧(ROS)，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别达96%和94%。动物实验证实其可加速伤口愈合、促进真皮再生并调控炎症微环境，为耐药菌感染伤口治疗提供了新型无抗解决方案。

　　

在抗生素滥用导致耐药菌肆虐的今天，慢性伤口感染已成为全球公共卫生的重大挑战。皮肤作为人体第一道防线，其破损后易引发细菌定植和持续炎症，传统敷料难以兼顾抗菌、抗炎和组织再生多重需求。光动力疗法(PDT)因其非耐药机制备受关注，但现有光敏剂存在电子-空穴(e^-
/h⁺
)复合率高、ROS产率低等瓶颈。铋基(Bi)半导体虽具优异光催化潜力，但单纯Bi₂
O₃
因载流子分离效率不足限制了其PDT效果。

西北农林科技大学的研究团队创新性地将生物质碳(BC)与Bi₂
O₃
复合，构建出金属-碳双网络增强的壳聚糖/聚乙烯醇(CS/PVA)水凝胶CP/BC@Bi。该材料通过碳网络的高导电性加速电子转移，在Bi-碳异质结界面形成肖特基势垒，使可见光下的ROS产量提升3倍。研究发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为智能伤口敷料开发提供了新思路。

关键技术方法
采用溶剂热法制备竹源生物质碳，通过冷冻交联构建CS/PVA三维网络；X射线光电子能谱(XPS)证实Bi-O-C键形成；电子自旋共振(ESR)检测羟基自由基(•OH)、超氧自由基(O₂
^•-
)和单线态氧(¹
O₂
)；建立小鼠金黄色葡萄球菌感染模型评估体内疗效。

研究结果

1. 材料表征
   扫描电镜显示BC@Bi异质结使水凝胶孔隙率提升40%，比表面积达158 m²
   /g。X射线衍射证实Bi₂
   O₃
   成功锚定在碳骨架上，紫外-可见漫反射光谱显示光吸收边红移120 nm。

2. 光动力性能
   瞬态光电流测试表明CP/BC@Bi的载流子分离效率较纯Bi₂
   O₃
   提高5.7倍。ESR检测到•OH信号强度增强8倍，证实碳网络有效抑制e^-
   /h⁺
   复合。

3. 抗菌机制
   激光共聚焦显示CP/BC@Bi使细菌膜电位去极化达85%，透射电镜观察到E.coli细胞壁明显破裂。表面粗糙度(Ra=32 nm)促进细菌粘附，局部ROS浓度提升3倍。

4. 体内疗效
   治疗7天后，PDT组伤口收缩率(92%)显著高于对照组(56%)。Masson染色显示胶原沉积量增加2.3倍，ELISA检测IL-6水平下降78%，证实其协同促进组织再生和抗炎。

结论与意义
该研究通过精准设计Bi-碳异质结，突破传统光敏剂效率限制。双网络结构不仅增强机械强度(弹性模量达12 kPa)，还实现ROS可控释放。临床转化潜力体现在：① bamboo衍生碳的可持续性；② 无需抗生素的耐药菌解决方案；③ 可扩展至其他金属-碳杂化系统。Xiyan Ding和Ma Bai等的工作为开发下一代智能敷料奠定基础，其微环境调控策略对糖尿病足等慢性伤口治疗具有重要启示。