《Gels》：A Cost-Effective Hydrogel-Based Wound Model for Quantitative Evaluation of Topical Treatments in Infected Wounds
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慢性创面感染常与细菌生物膜相关，这会显著降低抗菌治疗的效果。传统的体外评价方法，如纸片扩散法和静态生物膜模型，缺乏生理相关性，而更先进的伤口模型往往成本高昂、操作复杂且难以复现。在本研究中，研究人员提出了一种基于明胶-海藻酸水凝胶的经济实用型体外伤口模型，用于
慢性创面感染常与细菌生物膜相关，这会显著降低抗菌治疗的效果。传统的体外评价方法，如纸片扩散法和静态生物膜模型，缺乏生理相关性，而更先进的伤口模型往往成本高昂、操作复杂且难以复现。在本研究中，研究人员提出了一种基于明胶-海藻酸水凝胶的经济实用型体外伤口模型，用于评价局部抗菌疗法。由A型明胶和海藻酸钠组成的水凝胶被整合到Transwell系统中，并通过微生物转谷氨酰胺酶（mTG）和钙离子进行交联。该构型可实现模拟伤口液（SWF）从基底外侧腔室的被动扩散，从而模拟伤口环境的关键特征。该模型支持铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）在三维基质内形成生物膜。水凝胶系统在37 °C孵育48 h期间支持细菌生长和微菌落形成。该系统被应用于妥布霉素（TOB）、ε-聚赖氨酸（EPL）以及市售伤口凝胶Prontosan?的生物膜抑制和清除研究。活菌通过水凝胶溶解后进行系列稀释和菌落形成单位（CFU）计数实现定量回收。总体而言，所开发的模型为抗生物膜治疗的定量评价提供了一个简单且易获取的平台。虽然该模型并非旨在完全复现天然组织的复杂性，但它为基于胶原的模型提供了一种实用替代方案，并有助于弥合传统体外实验与更先进伤口模型之间的差距。
论文解读：基于明胶-海藻酸水凝胶的创面感染模型构建与局部抗菌治疗定量评价
一、研究背景与意义
慢性创面感染是临床面临的重大挑战，其难愈性与细菌生物膜的形成密切相关。生物膜内的微生物对抗菌药物和宿主免疫应答表现出显著增强的耐受性，导致感染难以根除。因此，局部抗菌疗法，包括伤口敷料、凝胶和抗菌聚合物等，在控制局部感染和减少全身抗生素使用方面日益重要。然而，目前缺乏被广泛接受的体外模型来在生理相关条件下评价这些局部制剂的疗效。传统评价方法，如琼脂扩散法、最低抑菌浓度（MIC）测试和常规孔板生物膜模型，虽然操作简便且重现性好，但无法模拟慢性创面生物膜所处的半固态、三维、营养梯度分布等复杂微环境，其预测体内疗效的价值有限。更先进的创面模型，如胶原基模型或灌注系统，虽提高了生理相关性，但通常需要专用设备、操作复杂且成本高昂，难以在常规实验室推广。因此，开发一种兼具生理相关性和操作简便性、成本可控的中间复杂度体外创面模型，对于抗菌伤口敷料和制剂的早期筛选具有重要意义。
二、研究内容与核心发现
针对上述问题，研究人员开发并系统表征了一种基于明胶-海藻酸水凝胶的三维体外创面感染模型。该模型旨在复现慢性创面的关键功能特征，包括利用模拟伤口液（SWF）作为营养源、通过Transwell构型实现营养物质的被动扩散、支持三维生物膜在含水基质内生长，并维持相对静态的创面床环境。研究通过理化表征、力学测试、扫描电镜（SEM）观察及抗菌实验，全面评估了该模型的性能。核心发现包括：该水凝胶基质在37 °C下能维持结构稳定并具有高溶胀能力；支持铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的生长和微菌落形成；通过柠檬酸钠溶解水凝胶可实现细菌的定量回收；该模型能够有效区分不同抗菌策略（妥布霉素、ε-聚赖氨酸、Prontosan?）对发育中和已形成生物膜的抑制与清除效果。该模型为局部抗菌治疗和伤口敷料配方提供了一个简单、经济且实用的筛选平台，是连接传统体外实验与复杂创面模型之间的桥梁。
三、关键技术方法
研究人员构建该模型主要采用了以下关键技术：一是基于A型明胶和海藻酸钠的双聚合物水凝胶体系，利用微生物转谷氨酰胺酶（mTG）和钙离子分别对明胶和海藻酸进行酶促和离子交联，以模拟细胞外基质的物理和生物特性；二是采用Transwell培养系统，实现模拟伤口液（SWF）从基底侧向水凝胶的被动扩散，模拟创面渗出液的营养供给方式；三是利用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶基质内细菌的生长形态和微菌落形成；四是建立基于柠檬酸钠螯合钙离子溶解海藻酸网络，随后进行菌落形成单位（CFU）计数的细菌定量回收方法。
四、研究结果
水凝胶稳定性评价： 通过干燥失重（LOD）、直径变化、溶胀比（SR）和单轴压缩测试，研究人员评估了水凝胶在37 °C下的稳定性。结果显示，水凝胶在48 h内失水率达92.7%，但直径在初始缩小后趋于稳定，未发生热熔融导致的宏观结构崩塌。水凝胶表现出高溶胀能力（3 h达444.7%），并在48 h内保持显著含水率，有利于营养物和代谢物的扩散。力学测试表明水凝胶具有可重复的压缩响应，其压缩模量（7.5–32 kPa）与用于三维细胞培养的软水凝胶体系相当，足以承受操作过程中的形变。
模型验证与优化： 研究人员验证了柠檬酸钠对铜绿假单胞菌无毒害作用，并评估了水凝胶的细菌回收效率（34.2%）。通过优化氯化钙浓度，确定1.5%（w/v）为最佳海藻酸交联浓度，该条件下细菌回收量最高，且支持细菌生长。
水凝胶上细菌生长的SEM评价： SEM图像显示，未接种的水凝胶具有均匀的多孔结构。接种铜绿假单胞菌24 h和48 h后，水凝胶的清晰多孔形态变得不明显，表明基质发生结构重塑，这可能与细菌分泌的蛋白酶降解明胶组分有关。同时，在水凝胶表面观察到细菌形成的局部聚集体或微菌落，表明该基质支持细菌生长和潜在的生物膜形成。
抗菌评价： 在生物膜生长抑制实验中，200 μg/mL妥布霉素（TOB）和Prontosan?处理24 h后，细菌计数低于检测限；500 μg/mL ε-聚赖氨酸（EPL）处理后细菌量为3.9 × 107 CFU/mL，均显著低于未处理对照组（12.2 × 107 CFU/mL）。在生物膜清除实验中，对已形成24 h的生物膜处理24 h后，200 μg/mL和400 μg/mL TOB分别将细菌量降至5.0 × 107和0.9 × 107 CFU/mL，效果优于Prontosan?（7.6 × 107 CFU/mL）和EPL（12.5 × 107 CFU/mL）。这些结果证明该模型能有效区分不同抗菌处理的效力差异。
五、讨论与结论
讨论部分指出，该模型相比传统二维模型提供了更接近创面环境的湿润、三维、机械柔软基质，且能对发育中和已形成的生物膜进行治疗评价和定量分析。与胶原基创面模型相比，该模型材料成本更低（每个模型约�1.82，低于Thaarup等（2023）的�4.10和Werthén等（2009）的�2.20），且依赖标准实验室设备和易获取材料，便于推广。模型局限性包括：目前仅支持单菌种生物膜，未涵盖慢性创面常见的多微生物群落；使用实验室标准菌株PAO1，缺乏临床菌株验证；未表征水凝胶内的氧气和pH梯度，而这些因素可能影响生物膜生理和抗菌敏感性。
研究结论：研究人员开发并表征了一种三维明胶-海藻酸水凝胶创面模型，作为研究铜绿假单胞菌生物膜生长和抗菌效果的体外平台。该水凝胶基质支持细菌生长和微菌落形成，同时保持足够的结构完整性以实现细菌的定量回收。该模型能够区分抗菌处理对生物膜生长的抑制和对已形成生物膜的清除效果。总体而言，所开发的模型为评价针对铜绿假单胞菌生物膜的局部抗菌和创面敷料配方提供了一个简单、实用的中间复杂度平台，其结构相关性优于传统二维实验。
