《Journal of Advanced Research》：Ultrafast
in situ formation of antibiotic-free injectable hydrogel dressings with innate antibacterial activity and autolysis capacity for wound healing
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针对耐药菌感染伤口治疗中即时强力湿粘附和按需自移除这两大临床挑战，本研究设计了一种基于邻苯二甲醛（OPA）、四臂聚乙二醇巯基（tetra-PEG-SH）和四臂聚乙二醇氨基（tetra-PEG-NH2）三元缩合反应的新型无抗生素水凝胶（OSN）。该敷料具备超快凝胶化、强力组织粘附、广谱抗菌（包括对MRSA、E. coli、P. aeruginosa）以及通过调控初始OPA浓度可精确控制的自溶行为。体内实验证实，OSN水凝胶能有效清除生物膜感染，加速伤口愈合，促进上皮再生，且无需更换敷料即可无创移除，避免了二次损伤。
皮肤创伤是临床常见问题，传统的缝合线闭合伤口不仅可能损伤周围组织血管，还易引发感染并发症，延迟愈合并增加医疗成本。尽管生物医用粘合剂作为缝合线的补充产品被应用，但理想的生物粘合剂需要在潮湿的生物组织上牢固粘附、易于操作，并且不会对伤口造成二次创伤。然而，现有的组织粘合剂远未达到临床需求。与此同时，抗生素耐药菌株的出现和快速发展，导致其在医院和社区中的滥用，使得耐药菌感染成为严重威胁人类健康并加重经济负担的问题。尽管具有智能结构可设计性和功能多样性的抗菌水凝胶已被用作有吸引力的伤口敷料来覆盖创面和吸收渗出液以治疗细菌感染性疾病，但大多数仍然主要依赖各种抗生素或金属杀菌剂来对抗感染，这不可避免地导致细菌耐药性或面临一定的金属细胞毒性风险。此外，另一类是通过在水凝胶中引入阳离子聚合物或肽来消除细菌和生物膜的有机杀菌剂，但其复杂的操作、高昂的成本和弱的组织亲和力极大地限制了其在抗菌敷料中的广泛应用。因此，这些挑战凸显了未满足的临床需求以及探索更有效的无抗生素生物粘合剂，以同时密封伤口和对抗耐药菌感染及生物膜的重要性。
近期发表在《Journal of Advanced Research》上的一项研究，为我们带来了一个创新的解决方案。这项研究受自然界中毛头鬼伞（一种常见真菌）成熟后菌盖和菌褶能自动自溶成黑色孢子液这一有趣现象的启发，开发了一种能够按需自溶的创新型临床敷料。研究人员利用邻苯二甲醛（OPA）、巯基和氨基在生理条件下的快速、化学选择性三元缩合反应（一种点击反应），以FDA批准的四臂聚乙二醇衍生物为骨架，构建了一种原位快速形成的异吲哚交联水凝胶（OSN）敷料。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：通过无催化剂的快速三元缩合反应制备OSN水凝胶，并系统表征其凝胶时间、组织粘附和自溶行为；利用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶内部网络微观结构；采用万能材料试验机进行压缩性能和搭接剪切测试以评估力学性能和粘附强度；使用流变仪进行动态频率扫描以测定储能模量和损耗模量；通过紫外-可见光谱和荧光光谱监测反应动力学及异吲哚荧光团的生成与变化；通过平板计数法、活/死染色、扫描电镜观察、流式细胞术以及结晶紫染色等多种体外方法系统评估水凝胶对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、大肠杆菌（E. coli）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的抗菌及抗生物膜活性；最后，使用MRSA感染的大鼠伤口模型进行体内实验，评估水凝胶的伤口愈合性能，并通过组织学（H&E染色）和免疫荧光分析（α-SMA染色）来观察组织再生和血管新生情况。所有动物实验均经上海呈曦实验动物有限公司动物伦理委员会批准。
研究结果
1. OSN水凝胶的制备与表征
研究人员通过简单混合OPA、tetra-PEG-SH和tetra-PEG-NH2的前体溶液，在低固含量（6 wt%）下快速制备了OSN水凝胶。无论OPA、-SH和-NH2的摩尔比如何（0.5:1:1， 1:1:1， 2:1:1），水凝胶均在10秒内快速形成，表现出超快的凝胶行为。微观结构显示水凝胶具有均匀分布的大孔网络，有利于营养物质交换。该水凝胶易于注射，并能通过异吲哚键的形成和聚合物链与组织胶原的物理缠结，在猪皮上实现即时、强力的湿粘附，即使在流水冲洗下也不脱落。搭接剪切测试显示其最高剪切强度可达38.7 kPa，优于商业纤维蛋白胶（10–15 kPa）。
2. OSN水凝胶的体外自液化性能
通过调控初始参与反应的OPA浓度，可以精确控制水凝胶的自溶行为。研究发现，当OPA过量时（如OSN-3，摩尔比2:1:1），水凝胶网络中的异吲哚结构会逐渐分解，导致水凝胶在24小时内原位自溶解。而OPA不足或等量的水凝胶（OSN-1和OSN-2）则能稳定存在更长时间。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析为自溶过程中的结构变化提供了直接证据。同时，异吲哚环在340 nm激发下产生蓝色荧光的特性，使得凝胶化和自溶过程可以被直观地荧光追踪。
3. OSN水凝胶的体外细胞活力与增殖
通过活/死染色和CCK-8实验评估了OSN水凝胶的细胞相容性。结果显示，与对照组相比，三种OSN水凝胶均表现出优异的细胞活力，L929细胞形态正常，几乎无死细胞，表明水凝胶具有良好的生物相容性，且OPA成分几乎被完全消耗或锁定在网络中，无显著泄漏毒性。划痕实验进一步表明，OSN水凝胶能促进L929细胞的迁移，加速体外“伤口”闭合。
4. OSN水凝胶的体外抗菌性能
研究评估了OSN水凝胶对革兰氏阳性MRSA和革兰氏阴性E. coli、P. aeruginosa的广谱抗菌活性。平板计数、扫描电镜观察、活/死染色、结晶紫染色及流式细胞术等多种方法一致证实，OSN-2和OSN-3水凝胶能几乎完全抑制细菌增殖并有效破坏预形成的生物膜，而OSN-1水凝胶也表现出良好的抗菌效果。抗菌机制涉及多重协同作用：异吲哚结构本身能物理破坏细菌膜；OPA衍生的降解产物具有化学杀菌作用；此外，水凝胶还可能通过调节局部免疫微环境，辅助宿主介导的病原体清除。
5. OSN水凝胶对MRSA感染皮肤伤口的体内治疗作用
在大鼠MRSA感染的全层皮肤伤口模型中，OSN水凝胶展现出优异的治疗效果。与对照组和 GelMA 水凝胶组相比，OSN水凝胶处理组（特别是OSN-2和OSN-3）的伤口闭合速度显著更快。OSN-3凭借其强大的抗菌和快速自溶能力，在早期（第3天）表现出最快的伤口闭合率；而OSN-2则因其持久的抗菌性能和渐进的自我降解行为，在14天的愈合期内实现了最佳的修复效果，新生皮肤的血管和毛囊再生质量最高。组织学（H&E）染色显示OSN组炎症细胞浸润减少，再上皮化和组织再生更佳；免疫荧光（α-SMA）染色证实OSN组促进了更丰富的毛细血管新生。荧光监测直观展示了水凝胶在伤口表面的快速凝胶化和随后的原位自溶过程。转录组学分析进一步揭示，OSN-3水凝胶处理能调控巨噬细胞相关基因表达，抑制促炎通路（如RAGE–NF-κB信号），激活修复和促血管生成程序（如Rap1/Notch信号），从而在分子层面支持其抗炎和促愈合作用。
结论与意义
本研究成功开发了一种基于OPA三元缩合反应的无抗生素、可注射、具有原位自溶能力的OSN水凝胶伤口敷料。该敷料整合了超快凝胶化、强力湿粘附、广谱内在抗菌活性以及通过简单调节前体比例即可编程的自溶行为等多种关键功能于一体。其抗菌作用源于异吲哚结构的物理膜破坏、降解产物的化学灭活以及可能的免疫调节协同机制。体内实验充分证明，OSN水凝胶能有效对抗MRSA感染，加速伤口愈合，并通过按需自移除避免了因频繁更换敷料造成的二次损伤及长期炎症反应。
这项研究的重大意义在于，它提出了一种全新的、不依赖抗生素的伤口管理策略。通过巧妙的化学设计，将敷料的核心功能（粘附、抗菌、移除）内在地整合到同一个简单、快速形成的网络结构中。这种“一体式”设计不仅简化了临床应用步骤，降低了成本，更重要的是为解决日益严重的抗生素耐药性问题提供了有希望的替代方案。OSN水凝胶平台的高度可调性（通过改变OPA比例调控性能）使其能够适应不同临床场景的需求，例如需要快速更新的急性感染伤口或需要较长时间支持的慢性伤口。尽管降解产物的确切化学结构及其长期药代动力学和毒理学特性仍需进一步研究，但本研究为开发下一代智能、高效、患者友好的伤口敷料奠定了坚实的理论和实验基础，具有巨大的临床转化潜力。
