一种仿生纤维水凝胶，具有更好的细菌接触性和杀菌效果，可用于治疗多种皮肤感染

《Biomaterials》：A Biomimetic Filamentous Hydrogel with Enhanced Bacteria Contact and Bactericidal Efficiency for the Treatment of Various Skin Infections

中性粒细胞胞外陷阱模拟抗菌水凝胶通过Schiff碱交联增强细菌接触与杀菌效率，显著促进化脓性皮下感染、全层伤口感染及深二度烧伤愈合。

　　

田永昌|张荣|赵星军|Ian W. Hamley|肖春生|陈莉

中国吉林省长春市东北师范大学化学系，邮编130024

摘要

能够有效杀灭微生物以加速伤口愈合的抗菌水凝胶在管理伤口感染方面展现出了巨大潜力。然而，传统的水凝胶敷料由于其永久性的交联结构，与细菌的接触有限，从而降低了其杀菌效率。为了解决这一问题，我们设计并制备了一种仿中性粒细胞外陷阱（NETs）的抗菌水凝胶（PETP凝胶），通过Schiff碱交联抗菌聚合物PETP-NH₂和苯硼酸修饰的氧化透明质酸（OHA-PBA），增强了与细菌的接触和杀菌效率。所得PETP凝胶具有类似NETs的动态纤维网络结构，结合OHA-PBA中的苯硼酸与细菌表面脂多糖之间的相互作用，最终提高了与细菌的接触和杀菌效果。体内实验表明，PETP凝胶可以加速化脓性皮下感染、全层伤口感染和深二度烧伤感染的治疗，显示出作为抗菌护理敷料的良好应用前景。

引言

病原菌感染会破坏局部组织环境，消耗细胞营养，并引发健康细胞的凋亡，导致组织溶解和坏死，从而带来临床挑战[1]，[2]。尽管病原菌通常难以穿透完整的皮肤屏障，但穿刺、烧伤或切割等创伤事件造成的任何损伤都会显著增加细菌入侵的风险[3]，[4]。同时，在感染伤口的微环境中，由于活性氧（ROS）水平升高和酸性条件（低pH值），会阻碍宿主愈合过程的正常启动[5]，[6]。在临床实践中，抗生素常用于治疗感染[7]。然而，一旦病原菌侵入伤口组织并建立初始黏附，它们会迅速繁殖并形成生物膜，对抗生素产生显著抗性[8]，[9]。这大大加剧了临床治疗的难度。此外，不断增加抗生素剂量可能会诱导细菌耐药性，甚至使一系列抗生素失效[10]。因此，迫切需要开发其他方法来对抗伤口感染。

无药物添加的阳离子抗菌水凝胶材料是具有天然抗菌性能的亲水性三维网络大分子，同时具备清洁和润湿能力[11]，[12]。此外，它们独特的膜破坏和杀菌机制能有效防止或克服细菌耐药性，使其在抗感染伤口愈合治疗中具有巨大潜力[13]，[14]。我们之前的研究开发了一种可注射的阳离子凝胶材料，通过多糖和凝集素的辅助作用，通过静电相互作用有效杀灭了金黄色葡萄球菌（S.aureus），单次给药即可成功治疗皮下化脓性感染[15]。然而，由于永久性交联结构，阳离子抗菌水凝胶与微生物的接触有限，限制了其达到最佳杀菌效果的能力[16]，[17]。中性粒细胞外陷阱（NETs）是由活化的中性粒细胞分泌的网状结构，由于其杀菌活性，在宿主免疫中起着关键作用[18]，[19]。NETs具有带正电荷的独特纤维网络，通过静电相互作用捕获并包裹细菌，导致细菌外周结构的溶解和高效杀菌[20]，[21]，[22]。通过将这种独特的网状结构融入抗菌水凝胶材料中，并将凝胶的表面孔壁转变为纤维状网状结构，可以增强水凝胶与细菌之间的相互作用，从而最大化凝胶的抗菌效果。

在这里，我们设计了一种仿NETs的纤维状水凝胶，增强了与细菌的接触和杀菌效率，用于治疗各种皮肤感染。如图1A所示，抗菌水凝胶（PETP）是通过Schiff碱交联含有氨基的PETP-NH₂和苯硼酸修饰的氧化透明质酸OHA-PBA制备的。所得PETP凝胶具有类似NETs的三维网状结构，而Schiff碱的动态键赋予了PETP凝胶可注射性和自愈性能，使其能够适应性地捕获和杀死病原菌（图1B）。此外，OHA-PBA中的苯硼酸与细菌表面脂多糖之间的相互作用将进一步增强PETP凝胶与细菌的接触，提高杀菌效率（图1C）。结果表明，PETP凝胶在化脓性皮下感染、全层伤口感染和深二度烧伤感染的治疗中具有良好应用前景（图1D）。

聚合物合成与水凝胶制备

抗菌聚合物PETP-NH₂通过多组分“一锅法”分两步合成（方案S1）[23]。简要来说，PETP是在甲醇中通过多组分一锅反应合成的，首先将聚丙二醇双(2-氨基丙基醚)与二甲基2-丁炔二酸在剧烈搅拌下缩合，然后在室温下逐步加入甲醛和醋酸。PETP-NH₂是通过PETP在DMF中与过量乙二胺在55 °C下反应48小时得到的

结论

总之，我们开发了一种具有类似NETs动态和网状结构的水凝胶，具有天然抗菌性能，并证明了其在治疗各种皮肤感染中的有效性。由于具有NETs样的动态和网状结构以及苯硼酸-脂多糖之间的相互作用，PETP凝胶的杀菌活性显著高于传统抗菌水凝胶。重要的是，PETP凝胶的生物安全性表现与...

作者贡献声明

肖春生：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。Ian W Hamley：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。赵星军：研究，数据管理。张荣：研究，数据管理。田永昌：撰写 – 初稿撰写，验证，方法学设计，研究，数据管理。陈莉：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金争取

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号51973025和52222307）、吉林省科学技术局（项目编号20220204107YY和20230204086YY）、长春市科学技术局（项目编号21ZGY06）以及吉林省发展和改革委员会（项目编号2023C028-4）的财政支持。