一种集成pH响应可视化检测与抗菌功能的动态水凝胶（PFPU/VCM/BTB）用于感染创面管理

《Gels》：A Versatile Dynamic Hydrogel Integrating pH-Responsive Visual Detection and Antimicrobial Functions for Infected Wound Management

　　

能够贴合不规则创面表面、承受机械变形并视觉监测局部微环境变化的伤口敷料，对感染创面管理具有高度需求。本文基于选定的PFPU3配方开发了一种多功能复合水凝胶（PFPU/VCM/BTB），用于感染创面的视觉监测与治疗。该水凝胶由醛基化Pluronic F-127（PF127-(CHO)₂）胶束和含伯胺基团、磷酸胆碱单元及2-ureido-4[1H]-pyrimidinone（UPy）基序的多功能PMUA共聚物构建。可逆亚胺键和UPy介导的四重氢键形成动态网络，而溴百里酚蓝（BTB）和万古霉素（VCM）分别提供pH响应视觉检测和抗菌活性。所得水凝胶具有多孔形态、类固体流变行为、自愈合能力、组织黏附和可注射性。其在pH 5.8–7.4范围内显示可见颜色变化，并有效降低金黄色葡萄球菌（S. aureus）活力。此外，水凝胶表现出良好的细胞相容性和血液相容性，并促进成纤维细胞迁移。在全层感染皮肤创面模型中，水凝胶治疗至第12天减少残余创面面积、增强表皮再生并促进胶原沉积。这种多功能水凝胶将视觉监测和局部抗菌功能整合于单一敷料平台，为感染创面管理提供潜在方法。

研究背景与问题：皮肤创面是涉及组织变形、渗出、炎症反应和微生物定植的复杂动态生物界面；一旦发生细菌感染，持续微生物负荷可延迟再上皮化、延长炎症反应并破坏细胞外基质重塑，增加慢性或难愈创面风险。创面管理正由被动组织覆盖转向主动治疗干预，理想敷料需兼具物理保护、抗菌活性、创面状态监测和局部治疗干预能力。创面微环境中的pH、温度、活性氧和葡萄糖等呈动态变化，其中pH因可通过简单比色方法检测而适合视觉监测；细菌代谢、炎症渗出和局部组织条件改变可诱导创面pH动态变化，将此类变化转化为可见颜色信号，有望实现创面状态的原位实时反馈。现有基于比色染料、光子结构和电子传感器的pH响应创面敷料仍存在对不规则组织表面适应性不足、缺乏抗菌功能及制备复杂等局限；仅监测局部变化而不提供治疗功能的传感平台在感染创面治疗中的实际价值有限。因此，研究人员旨在开发一种能够适应动态创面界面、整合感染相关pH变化视觉检测与局部抗菌治疗的水凝胶敷料平台。水凝胶具有高含水量、柔软三维网络和对组织界面的良好适应性；在机械活动创面表面，界面与力学性能同生物活性同样重要。动态共价键和可逆超分子相互作用可耗散机械应力、重建受损网络并支持可注射或共形应用；醛基与伯胺形成的亚胺键提供可逆共价交联，UPy基序可建立可逆四重氢键。含磷酸胆碱聚合物可形成高度水化表面，增强抗非特异性界面污染能力；BTB在近中性pH范围内具有明显颜色变化，适合监测S. aureus感染模型相关pH变化；VCM为成熟糖肽类抗生素，对革兰阳性菌具有抗菌活性，可载入水凝胶基质用于局部抗菌治疗。基于此，研究人员设计PFPU/VCM/BTB水凝胶，由PF127-(CHO)₂胶束与含伯胺、MPC衍生磷酸胆碱部分及UPy单元的PMUA共聚物构成，网络通过动态亚胺键和UPy介导四重氢键构建，BTB与VCM分别赋予可见pH响应比色行为和抗菌活性。

研究开展、结论与意义：研究人员系统评价了该水凝胶的化学结构、流变行为、自愈合能力、可注射性等理化性能，以及pH响应可视化、抗菌活性、生物安全性和成纤维细胞迁移能力等生物学性能。结果表明，该水凝胶具有多孔互联结构、类固体流变行为、自愈合、组织黏附和可注射性，可在pH 5.8–7.4范围内产生可见颜色变化，有效降低S. aureus活力，并具良好细胞相容性、血液相容性和促成纤维细胞迁移能力；在全层感染皮肤创面模型中，至第12天减少残余创面面积、增强表皮再生并促进胶原沉积。其意义在于将机械适应性创面覆盖、感染相关微环境变化视觉监测和局部抗菌治疗整合于单一水凝胶敷料，为智能水凝胶创面敷料开发提供可行途径。

关键技术方法（不超过250字）：采用1H NMR和FTIR表征PMUA与PF127-(CHO)₂化学结构；以SEM观察冻干水凝胶微观形貌；用流变仪进行频率扫描、应变扫描及1%/600%交替步应变恢复测试；通过宏观实验评估可注射性、自愈合、组织黏附及pH响应结构解离/重建；以平板菌落计数和SEM评价对S. aureus的体外抗菌效果；以小鼠成纤维细胞L929进行MTT、Calcein-AM/PI活/死染色和划痕迁移实验，并行溶血实验；动物实验采用6–8周龄雄性BALB/c小鼠（20只，随机4组，每组5只）建立S. aureus感染全层皮肤缺损模型，于第0、3、6、9、12天记录创面并测量面积，第12天取创面组织行H&E和Masson三色染色，取心、肝、脾、肺、肾行H&E染色并监测体重。

研究结果：2.1 合成与表征（Synthesis and Characterization of PMUA and PF127-(CHO)₂）：通过1H NMR和FTIR，PMUA显示MPC季铵基团亚甲基质子δ 2.97 ppm、AEMH相关N-H伸缩3350 cm^?1及MPC的P=O和P-O-C伸缩1080 cm^?1，PF127-(CHO)₂显示醛质子δ 10.08 ppm和羰基伸缩1734 cm^?1，证实两种前体成功合成，为后续动态网络形成提供基础。2.2 水凝胶表征（Characterization of Hydrogels）：通过前体混合成胶并流变测试，PFPU1、PFPU2、PFPU3在10 rad/s和1%应变下储能模量分别为338.605、447.566和596.572 Pa，PFPU3最高而被选为后续配方；应变扫描显示G′=G″的临界屈服点，交替1%/600%步应变显示网络破坏后快速恢复；SEM显示冻干PFPU3呈多孔互联结构，宏观实验显示形状适应、黏附、自修复、pH响应和可注射性，溶胀率约8 h后趋于平台，表明其具备适应不规则创面、注射和自愈合能力。2.3 pH响应可视化（pH-Responsive Visualization of the PFPU/VCM/BTB Hydrogels）：通过pH缓冲液和细菌培养实验，PFPU/VCM/BTB在pH 5.8–7.4范围内呈明显颜色变化，在S. aureus培养8 h时颜色显著变化；小鼠感染创面中原位颜色由深绿转为浅黄，正常未感染创面保持原色，表明其可通过裸眼可见颜色变化原位区分感染创面。2.4 抗菌活性（Antibacterial Activity of PFPU/VCM/BTB Hydrogels）：通过平板菌落计数和SEM，PBS对照组菌落丰富，3M敷料和PFPU水凝胶仅有限杀菌，PFPU/VCM/BTB菌落数最低，SEM显示细菌结构严重损伤和膜破坏，表明VCM赋予其对S. aureus的强抗菌活性；讨论同时指出VCM主要靶向敏感革兰阳性菌，不覆盖铜绿假单胞菌等革兰阴性病原体，且本研究体外抗菌和感染创面模型均基于S. aureus，对革兰阴性菌或多微生物创面感染的效果尚未确立。2.5 生物相容性与细胞迁移（Biocompatibility and Cell Migration）：通过MTT、Calcein-AM/PI、溶血、划痕和器官H&E，L929细胞与PFPU/VCM/BTB提取物共培养48 h后活力仍超过81%，活/死染色以活细胞为主，溶血OD值为0.184且低于5%安全阈值，划痕实验中48 h迁移率达93.61%（对照组39.41%），第12天主要器官H&E未见病理损伤且小鼠体重稳定增加，表明其具良好细胞相容性、血液相容性、促迁移能力和系统生物安全性。2.6 体内创面愈合评价（In Vivo Wound Healing Evaluation of PFPU/VCM/BTB Hydrogels）：通过小鼠全层S. aureus感染创面模型，PFPU/VCM/BTB组第6天创面面积明显缩小，而PBS、3M和PFPU组分别为39.95、31.32和23.74 mm²；第12天PFPU/VCM/BTB组仅2.95 mm²、接近完全闭合；H&E显示新表皮结构更完整且成熟毛囊丰富，Masson三色染色显示胶原沉积更多，表明其可加速感染创面愈合、促进表皮重建、真皮组织再生和胶原沉积。

讨论与结论：讨论部分指出，VCM主要针对敏感革兰阳性菌，不覆盖铜绿假单胞菌等革兰阴性病原体；本研究的体外抗菌评价和感染创面模型均基于S. aureus，因此对革兰阴性菌或多种微生物创面感染的疗效尚未建立。研究结论翻译如下：总之，研究人员开发了一种基于PFPU3的多功能PFPU/VCM/BTB水凝胶，作为动态伤口敷料用于感染创面的监测和治疗。水凝胶网络通过PF127-(CHO)₂与PMUA之间形成的可逆席夫碱键以及UPy介导的四重氢键相互作用的协同作用形成。得益于这种双动态交联结构，水凝胶具有优异的可注射性、自愈合能力、结构适应性和组织黏附性，能够有效覆盖不规则创面表面。BTB的引入使水凝胶在pH 5.8–7.4范围内产生可见颜色变化，为感染相关酸性创面环境提供直接指示，而VCM贡献了对S. aureus的有效抗菌活性。此外，PFPU/VCM/BTB水凝胶表现出良好生物安全性，并在感染小鼠创面模型中促进创面修复。总体而言，本研究表明，将双动态水凝胶网络、pH响应可视化模块和局部抗菌活性整合起来，是感染创面管理的一种有效策略。因此，PFPU/VCM/BTB水凝胶作为一种能够监测感染相关微环境变化并促进创面修复的智能伤口敷料，具有相当大的潜力。