具有光热抗菌和抗氧化特性的多功能芦荟复合水凝胶，用于感染伤口的愈合

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Multifunctional Aloe Vera Composite Hydrogel with Photothermal Antibacterial and Antioxidant Properties for Infected Wound Healing

本研究利用硼砂作为交联剂，复合聚乙烯醇、芦荟凝胶、多巴胺和黄芩素，制备出具有光热、抗菌和抗氧化功能的智能响应性复合水凝胶（PAPB）。体外实验显示PAPB可有效抑制金黄色葡萄球菌和肠杆菌的生长，体内实验表明其10天内创面愈合率达97.13%，通过调控炎症因子、促进血管生成和胶原沉积实现高效愈合。

　　

Cuilan Huang|Yiqing Chen|Wei Su|Lini Huo|Haiyi Zhong|Peiyuan Li

广西中医药大学，中国南宁530001

摘要

伤口感染的临床治疗仍然面临诸多挑战，包括细菌耐药性、过度的炎症反应以及组织再生能力受损。在本研究中，利用硼砂作为交联剂，将聚乙烯醇、绿色生物质芦荟凝胶、多巴胺和白藜芦醇复合，制备出一种具有光热、抗菌和抗氧化功能的智能响应型芦荟复合水凝胶（PAPB）。该水凝胶网络通过硼酸酯键和氢键的双重动态作用，展现出优异的自愈性能以及pH值和光热的双重响应性。结合芦荟凝胶的天然特性，该水凝胶具有良好的组织粘附性和生物相容性。多巴胺的加入使其在近红外光照射下能够实现局部加热，有效抑制金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）的生长。白藜芦醇的添加进一步增强了水凝胶的抗氧化活性，协同减轻了伤口部位的氧化应激损伤。体内实验表明，PAPB水凝胶在10天内通过下调炎症因子表达、促进血管生成和加速胶原蛋白沉积，实现了97.13%的伤口愈合率。本研究不仅为开发具有抗菌、抗炎和组织修复功能的多功能敷料提供了新策略，也为基于绿色生物质的材料在生物医学领域的应用奠定了理论和实验基础。

引言

伤口感染仍然是主要的临床问题，每年导致数万人死亡[1]。不当的伤口护理会延长愈合时间，并引发细菌感染和过度炎症等不良反应，严重阻碍止血、炎症、增殖和重塑四个愈合阶段。这不仅增加了患者的痛苦和医疗成本，在某些情况下甚至可能危及生命[2]、[3]、[4]。尽管传统的抗生素疗法可以抑制细菌感染，但长期使用容易导致细菌耐药性和器官毒性[5]。此外，单一功能的敷料无法应对伤口复杂的病理微环境。这些限制促使人们越来越关注新型多功能敷料，尤其是兼具抗菌和抗炎特性的复合水凝胶[7]，且不会引发耐药性[8]。水凝胶凭借其三维网络结构、高含水量、优异的生物相容性和药物输送能力，已成为伤口愈合应用中的有前景的生物材料[9]、[10]、[11]。然而，传统水凝胶在抗菌效果、环境响应性和促进组织再生方面仍存在显著局限性。因此，迫切需要开发具有集成多功能特性的新型水凝胶系统。

在全球“绿色和可持续发展”战略的背景下，基于天然生物质的多功能敷料因其在生物安全性和环境友好性方面的双重优势而成为生物医学材料的研究焦点[12]。芦荟（Aloe vera, AV）是一种属于百合科的药用植物，其透明的粘稠凝胶是一种典型的绿色天然生物质资源，采集成本低且无需复杂的化学合成过程。芦荟富含多糖[13]、糖蛋白[14]和蒽醌[15]等天然活性成分。通过调节炎症因子的释放和促进表皮细胞增殖，芦荟具有抗炎[16]、促进伤口愈合[17]和免疫调节[18]作用，在伤口护理中展现出天然优势，成为敷料研究的热点[19]。然而，纯芦荟凝胶缺乏足够的机械强度和粘附性，难以直接用于临床。Wang[20]的研究证实，将其与其他材料结合可以显著改善机械性能和稳定性，同时保持生物活性，为绿色生物质的功能化应用提供了可行途径。此外，伤口愈合过程中的氧化应激会加剧组织损伤。将天然低毒性的抗氧化成分与芦荟凝胶结合，可以更好地适应伤口微环境，而白藜芦醇（Baicalein, BA）是一种理想的抗氧化剂[6]。研究表明，白藜芦醇不仅具有强抗氧化活性和低毒性[21]，还能与聚乙烯醇相互作用，调节分子间作用（如氢键），从而提升水凝胶的性能[22]、[23]。这为开发先进的功能性水凝胶提供了新的思路。

聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol, PVA）-硼砂水凝胶因其独特的动态交联机制而在伤口敷料应用中受到广泛关注。PVA的二醇基团可以与硼砂水解产生的硼酸根离子发生交联反应，形成硼酸酯键，构建出具有优异自愈能力和形状适应性的三维凝胶网络[24]、[25]。值得注意的是，硼酸酯键具有pH响应性：在感染伤口通常呈微酸性的环境中（pH<7.4），这些交联键会发生水解断裂，导致凝胶网络解体，从而实现可控的药物释放[26]、[27]。然而，纯PVA-硼砂水凝胶的机械强度不足，且缺乏抗菌、抗氧化、抗炎和促血管生成等关键功能[28]。PVA和硼砂分子中的大量羟基使PVA-硼砂水凝胶能够与多种物质形成氢键[29]。因此，本研究选择多巴胺（Polydopamine, PDA）作为功能增强剂，制备多功能复合水凝胶。PDA分子中的胺基和儿茶酚基团不仅与PVA网络形成多个氢键，有效提升水凝胶的机械性能和生物相容性[30]，还因其低毒性和易于制备而成为优良的光热剂[31]。在近红外（Near-infrared, NIR）光照射下，PDA能够实现局部加热，通过光热效应有效破坏细菌结构，发挥抗菌作用并加速伤口愈合[32]、[33]、[34]、[35]。此外，涉及PVA、AV、PDA和BA的硼酸酯键和氢键的双重动态作用代表了值得深入研究的未探索领域。

基于上述研究基础，本研究创新性地开发了一种由PVA、AV、BA和PDA组成的多组分复合材料，制备出具有光热抗菌和抗氧化功能的智能响应型芦荟复合水凝胶（PAPB）（图1）。这种复合水凝胶不仅保留了芦荟的天然生物活性，还通过硼酸酯键和氢键的协同交联显著增强了自愈能力和组织粘附性。PDA既作为光热抗菌剂，又作为机械增强剂，有效提升了水凝胶的整体性能并发挥抗菌作用。白藜芦醇的加入进一步赋予了水凝胶优异的抗氧化活性。通过一系列表征实验、体外抗菌测试和体内伤口愈合模型，系统验证了该水凝胶的多功能协同效应。本研究不仅扩展了绿色生物质芦荟凝胶在伤口敷料中的应用，还为开发智能响应型和环保型伤口治疗材料提供了创新策略。

材料

芦荟购自中国云南元江的万绿芦荟基地。盐酸多巴胺（C₈H₁₁NO₂·HCl, M_W=189.64, 98%）购自上海麦克林生化科技有限公司。聚乙烯醇1799（PVA, [-CH₂CHOH-]_n, Mw = 44.05, 醇解度：98-99% mol/mol）、硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O, AR, 99.5%纯度）和白藜芦醇（BA）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, ATCC6538）和大肠杆菌（Escherichia coli, ATCC25922）

水凝胶的制备

据文献报道，芦荟凝胶主要含有多糖、蒽醌和萘醌等活性成分[36]。其中，多糖是芦荟凝胶中的主要生物活性化合物。多糖由多种单糖组成，包括甘露聚糖、葡萄糖和半乳糖，具有优异的保水能力，有助于伤口愈合[38]。芦荟凝胶冻干粉的制备过程和主要成分分析如图1a所示。

结论

本研究通过将天然绿色生物质芦荟凝胶与聚乙烯醇结合，并引入多巴胺和白藜芦醇，成功制备出一种多功能复合水凝胶（PAPB）。通过硼砂和氢键交联的动态硼酸酯键的协同作用，该水凝胶表现出光热抗菌活性、抗氧化性能、自愈能力、pH响应性降解性和优异的

作者贡献声明

Peiyuan Li：监督、资源调配、资金获取、概念构思。Haiyi Zhong：方法学设计、实验研究。Wei Su：撰写、审稿与编辑、项目管理、数据分析。Lini Huo：实验研究、数据分析。Cuilan Huang：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。Yiqing Chen：方法学设计、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（32472469）和广西壮族自治区“BAGUI青年优秀人才”计划的支持。