基于活性粘附与NIR-II激发的两性离子水凝胶用于颌面部感染伤口修复及脓肿消除的中文标题

《Aggregate》：Mechanically Active Adhesive and NIR-II-Activated Zwitterionic Hydrogel for Infected Maxillofacial Wound Repair and Abscess Elimination

本综述开发了一种新型双组分两性离子水凝胶(PNPs@COL@Gel)，其结合了近红外-II区(NIR-II)光热疗法(PTT)与光动力疗法(PDT)，实现了对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)等高耐药菌的高效、协同抗菌作用，并利用重组III型胶原蛋白(COL)促进无疤痕愈合，为治疗复杂颌面部感染伤口及皮下脓肿提供了一种创新的非抗生素策略。

　　

引言

颌面部伤口因其位置特殊，不仅具有不规则形状，愈合后易形成疤痕，还因其丰富的筋膜间隙和疏松结缔组织，易形成感染通道和细菌生物膜，导致广泛的感染。传统治疗依赖于清创术联合抗生素，但耐药菌的出现，特别是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)，极大地降低了抗生素的疗效。因此，开发能够有效杀菌、清除生物膜并促进组织无疤痕再生的新型伤口敷料至关重要。

本研究旨在开发一种集机械强度、可注射性、高效抗菌与促进愈合于一体的多功能伤口敷料。设计策略是将具有光热和光动力性能的阳离子聚合物纳米颗粒(PNPs)以及重组III型胶原蛋白(COL)整合到由两性离子材料磺酸甜菜碱甲基丙烯酸酯(SBMA)和甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)构成的水凝胶网络中，从而构建出名为PNPs@COL@Gel的新型复合水凝胶。

阳离子聚合物纳米颗粒(PNPs)的设计、制备与表征

研究者首先通过苯并二噻吩(BDT)和苯并二噻二唑(BBT)衍生物构建共轭聚合物，经质子化获得阳离子聚合物，并通过两亲性共聚物DSPE-PEG₂₀₀₀-NH₂封装形成PNPs。表征结果显示，PNPs粒径分布均匀，平均粒径约120纳米，且在980纳米波长处有吸收，证明其可作为NIR-II区光热剂。表面电势由聚合物1的-6.33 mV转变为PNPs的+24.43 mV，证实了阳离子化成功。PNPs在不同溶液中均展现出良好的粒径和zeta电位稳定性。

PNPs@COL@Gel的制备与表征

研究者以SBMA为主体，与PNPs混合，再与HEMA和重组III型胶原(COL)结合，制备出PNPs@COL@Gel水凝胶。扫描电镜图像显示水凝胶具有疏松多孔结构，元素映射和能量色散X射线光谱表明III型COL和PNPs均匀分散在水凝胶中。

PNPs@COL@Gel的力学性能

理想的颌面部伤口敷料需具备良好的拉伸性、压缩性和粘附性，以适应不规则伤口。通过引入HEMA优化SBMA水凝胶的力学性能发现，当HEMA与SBMA质量比为1:1时，复合水凝胶的断裂伸长率达到329%，断裂应力为0.168 MPa，同时压缩强度显著提升。添加COL和PNPs后，PNPs@COL@Gel仍保持良好的拉伸和压缩性能。该水凝胶对塑料、金属、玻璃等多种基材以及猪皮组织均显示出良好的粘附性，这得益于SBMA的存在。流变学测试表明PNPs@COL@Gel网络结构稳定，且具有温度敏感性，能在生理温度下迅速成胶。此外，该水凝胶在小鼠肝脏穿刺出血模型中表现出优异的体内止血性能。

PNPs@COL@Gel的光热性能

研究表明，PNPs溶液在980纳米激光照射下，其升温呈现浓度依赖性，浓度越高升温越明显。在功率密度为0.4 W/cm²时，100 μg/mL的PNPs溶液温度可升至约51.6°C，显示出良好的光热效应。这种光热性能在循环五次后保持稳定。当PNPs被负载到水凝胶中形成PNPs@COL@Gel后，其光热性能没有衰减，光热转换效率高达60.73%。更重要的是，在穿透3毫米厚的鸡肌肉组织后，PNPs@COL@Gel在激光照射下温度仍能升至49.2°C，证明了其在治疗深层皮肤感染伤口方面的潜力。

1O₂radical detection. (M) Mechanism of PNPs-induced PTT and PDT under NIR-II laser irradiation.">

PNPs@COL@Gel的光动力性能

光动力疗法通过产生活性氧来破坏微生物。利用DPBF、ABDA等探针检测表明，PNPs@COL@Gel在980纳米激光照射下主要产生单线态氧(¹O₂)，而非超氧阴离子(O₂^-)或羟基自由基(OH)。电子顺磁共振分析进一步证实了单线态氧的产生。其机制是：PNPs吸收光子后，处于激发态的能量一部分通过非辐射弛豫转化为热能(产生PTT效应)，另一部分通过系间窜越到三重激发态，并通过能量转移将基态氧分子(³O₂)转化为高活性的单线态氧(¹O₂)(产生PDT效应)，从而实现了NIR-II激光激发下的PTT和PDT协同作用。

PNPs@COL@Gel的体外抗菌活性

基于其优异的光热和光动力性能，PNPs@COL@Gel展现出强大的体外抗菌能力。使用DCFH-DA探针检测发现，PNPs@COL@Gel在激光处理后，细菌内产生了大量活性氧。平板计数法结果显示，PNPs@COL@Gel在0.4 W/cm²激光照射下，对大肠杆菌(E. coli)和MRSA的杀菌率分别达到97.5%和96.9%。活死菌染色和扫描电镜观察均证实了该处理组对细菌结构和细胞膜的严重破坏。结晶紫染色实验进一步证明，PNPs@COL@Gel + 0.4 W/cm²不仅能有效清除已形成的生物膜，还能有效抑制新生物膜的形成。

转录组分析揭示协同抗菌机制

为了深入探究PTT和PDT协同抗菌的分子机制，研究者对经PNPs@COL@Gel + 0.4 W/cm²处理后的MRSA进行了RNA-seq分析。结果显示有549个差异表达基因。京都基因与基因组百科全书富集分析表明，差异基因主要集中在与生物膜形成和分散相关的核糖体、金黄色葡萄球菌感染和嘌呤代谢等通路。基因本体分析也支持了这一发现。实时荧光定量PCR验证了几个关键基因的上调，例如与精氨酸生物合成相关的argF和argC，以及与编码细胞外蛋白酶和生物膜脱落相关的sspA、sspB、sspC。这些结果表明，PNPs@COL@Gel通过上调与细胞外蛋白酶、氨基酸合成、生物膜形成和代谢过程相关的基因，促进了细菌生物膜的破坏。

PNPs@COL@Gel促进皮肤切口伤口愈合的体内评估

在应用于感染伤口前，研究者评估了PNPs@COL@Gel的生物相容性。MTT法和钙黄绿素AM染色证明其对小鼠成纤维细胞无显著毒性，溶血率低于5%，红细胞形态正常，显示出良好的血液相容性。为了便于覆盖不规则伤口，研究者设计了一个双喷头连接的喷雾瓶，分别装有SBMA+PNPs混合液和HEMA+COL混合液，喷涂后可原位形成水凝胶薄膜。在小鼠全层皮肤切口模型中，PNPs@COL@Gel治疗组的伤口在7天内愈合效果最佳，伤口表面平坦。组织学分析显示，该组伤口有更多新生的毛囊和完整的上皮，疤痕不明显，且胶原沉积量更高。转化生长因子-β和碱性成纤维细胞生长因子的表达水平也显著升高。主要器官的苏木精-伊红染色未发现明显的炎症和病理变化，表明材料具有良好的体内生物相容性和安全性。

PNPs@COL@Gel对MRSA感染伤口的体内治疗效果

在MRSA感染的颌面部伤口小鼠模型中，研究者评估了不同治疗方案的效果。与对照组、单独激光组和单纯水凝胶组相比，PNPs@COL@Gel联合激光治疗组，尤其是高功率组(0.4 W/cm²)，伤口愈合速度最快，疤痕减少效果最好，伤口温度在激光照射10分钟内升至49.6°C。伤口组织的菌落计数显示，高功率组的抗菌率达到95.5%。组织学分析进一步证实，高功率治疗组炎症细胞最少，上皮组织最完整，胶原沉积和CD31表达量最高，表明促进了血管新生。同时，该组促炎因子TNF-α的表达最低，抗炎效果最佳。

PNPs@COL@Gel治疗MRSA感染慢性脓肿伤口

为评估水凝胶在深层组织的穿透和治疗能力，研究者建立了MRSA感染的皮下脓肿模型。治疗结果显示，在980纳米激光照射下，PNPs@COL@Gel能够穿透组织发挥光热效应，高功率组脓肿部位温度可达48.7°C。治疗后，高功率组几乎未见明显脓液渗出，抗菌效果最佳。组织学分析同样显示，高功率组炎症细胞最少，毛囊结构明显，胶原沉积量、转化生长因子-β和碱性成纤维细胞生长因子表达量以及CD31标记的血管新生程度均显著高于其他组，而促炎因子IL-6的表达最低。

结论

综上所述，该研究成功开发了一种基于NIR-II激发的、具有光热和光动力协同抗菌功能的两性离子复合水凝胶PNPs@COL@Gel。该材料具备优异的力学性能、组织粘附性、生物相容性和深层组织穿透能力。体外实验证实其在NIR-II激光照射下能高效杀灭包括MRSA在内的细菌，并有效清除和抑制生物膜。体内研究进一步证明，PNPs@COL@Gel不仅能通过协同抗菌作用加速感染伤口的愈合，还能通过调节免疫微环境、促进上皮细胞生长和新生血管形成，显著减少疤痕，实现颌面部感染伤口及脓肿的无疤痕愈合。这项研究为临床治疗耐药菌感染及促进复杂伤口再生修复提供了一种极具前景的非抗生素新策略。