整合电子束辐照g-C3N4/Ti3C2纳米复合材料的水凝胶：一种具有增强光催化抗菌活性的多功能集成平台

《Gels》：Electron Beam-Irradiated g-C3N4/Ti3C2 Nanocomposite Embedded in PVA/SA Hydrogel: An Integrated Platform with Enhanced Photocatalytic Antibacterial Activity Rui Feng, Xuguang Chen, Yue Wu, Kaidi Xu, Yu Zhao, Jiale Lu, Zenghui Shi, Huangqin Chen and Bin Huang

本研究成功构建了一种基于电子束辐照石墨相氮化碳（g-C3N4， CN）与钛碳化物（Ti3C2， TC）纳米复合物，并负载于聚乙烯醇/海藻酸钠（PVA/SA）水凝胶中的新型光动力抗菌系统。其展现出色的生物相容性、增强的力学性能与显著的广谱抗菌活性，为解决细菌耐药性问题提供了极具前景的创伤敷料设计方案。

　　

在细菌感染对全球公共卫生构成持续威胁，而抗生素耐药性（AMR）问题日益严峻的背景下，研发不诱导耐药性的新型抗菌策略至关重要。光动力抗菌疗法（PDT）以其非侵入性和不易引发耐药性的特点，成为一种极具前景的替代方案。本研究旨在开发一种集成了高效光催化剂和生物相容性载体的复合水凝胶系统，以实现高效、安全的局部抗菌治疗。

化学结构与纳米材料及复合水凝胶中的相互作用

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对制备的纳米材料（TC， CN）和水凝胶基质（PVA/SA及8% CN/TC复合水凝胶，标记为8% g-TC）进行了分析。TC的光谱显示了位于3410 cm^-1， 1614 cm_-1， 1406 cm^-1， 1080 cm^-1和542 cm^-1的特征吸收峰。位于3410 cm^-1的宽峰归因于O-H伸缩振动，源于吸附水分子或表面羟基。1614 cm^-1处的峰对应C=O伸缩振动，表明表面存在氧化。1406 cm^-1和1080 cm^-1的吸收峰分别归因于C-F和C-O伸缩振动，而542 cm^-1的峰证实了Ti-O键的存在。这些亲水性官能团（-OH， C=O）增强了TC纳米片在水介质中的分散性，促进了其在凝胶网络中的均匀分布以及与聚合物基质的界面结合。

CN的FT-IR光谱展示了其七嗪（三-s-三嗪）杂环骨架的特征振动模式。大约3218 cm^-1处的宽吸收带通常归属于末端N-H基团和/或吸附水分子的O-H基团的伸缩振动。更准确地说，1200–1650 cm^-1区域的特征光谱是指纹区。该区域内大约1645 cm^-1和1568 cm^-1的吸收峰分别与C≡N和C-N的伸缩振动有关。而1230 cm^-1至1460 cm^-1之间的一系列强峰对应于桥连C-N-C单元或连续七嗪框架内的芳香C-N伸缩振动。

纯PVA/SA水凝胶的FT-IR光谱显示了其组分的预期特征。大约3420 cm^-1处观察到的宽而强的吸收峰是羟基（O-H）伸缩振动的特征，主要源于PVA和SA中广泛的氢键网络。2935 cm^-1处的明显峰对应于聚合物主链的对称和不对称C-H伸缩振动。海藻酸钠的存在由两个关键特征明确证实：1635 cm^-1处的强峰，归属于羧酸根阴离子（-COO^-）的不对称伸缩振动；以及1465 cm^-1处的另一个峰，归因于其对称伸缩振动。此外，1082 cm^-1处的一个显著峰被确认为PVA中醇基团的C-O伸缩振动。这些特征峰的同时存在验证了复合水凝胶的成功形成。

8% g-TC复合水凝胶的FT-IR光谱为所有组分的成功整合提供了确凿证据，并揭示了混合材料内显著的分子水平相互作用。一个主要观察是羟基（O-H）伸缩振动峰移动到较低的波数3430 cm^-1，并伴有明显的峰宽化。这一现象直接归因于PVA/SA基质的羟基与CN和TC表面的官能团之间形成了广泛的氢键。光谱明确证实了CN的存在。在1573 cm^-1和1637 cm^-1观察到的明显吸收峰归属于C≡N键的伸缩振动。此外，1240 cm^-1， 1317 cm^-1， 1403 cm^-1和1460 cm^-1处的四个系列峰被鉴定为七嗪（s-三嗪）环结构内芳香C-N键的伸缩振动。s-三嗪环的特征呼吸振动模式在855 cm^-1处也清晰可见。3000–3400 cm^-1区域的宽吸收包络可归因于CN中残留末端氨基（-NH₂/-NH）的伸缩振动和吸附水的O-H基团的重叠贡献。同时，TC的特征信号也可明确识别。C=O伸缩振动的特征峰出现在1639 cm^-1，而Ti-O伸缩振动出现在573 cm^-1。复合光谱中所有来自CN和TC的特征峰持续存在，尽管与其原始状态相比有轻微的位移，这证实了纳米材料已成功掺入水凝胶网络中，且未发生显著的化学降解。更重要的是，这些细微的峰位移共同强调了PVA、SA、CN和TC之间存在多方面的物理化学相互作用——包括氢键和范德华力。这些相互作用是所得杂化水凝胶结构完整性和性能的基础。

纳米材料及复合水凝胶的晶体结构和剥离行为

通过X射线衍射（XRD）分析了各组分的晶相和最终复合水凝胶的结构变化。TC的XRD图谱显示在2θ = 6.6°附近有一个弱而宽的（002）峰，这是分层后层状MXene的典型特征，表明层间间距扩大。较高角度（例如，40.9°， 60.9°）的较弱峰对应于（105）和（110）晶面，证实了蚀刻后MXene晶体结构的保留。对于CN，观察到两个特征峰：位于13.2°的弱（100）峰，与三-s-三嗪单元的面内结构堆砌有关；以及位于27.5°的强（002）峰，对应于共轭芳香体系的层间堆叠，d-间距约为0.32 nm。（002）峰的强度是石墨化程度的标志，影响电子电导率和光催化效率。

200CN/1TC纳米复合材料的XRD图谱显示了CN在27.5°处的主（002）峰，与原始CN相比，强度增加且略有尖锐化。结晶度的这种提高可归因于电子束辐照处理，该处理可能去除了无定形碳质残留物并促进了结构有序化，从而改善了载流子迁移率。TC的特征峰在复合材料中不明显，可能是由于其相对浓度低（1 wt%）、高度分散以及其主要（002）峰与宽背景重叠所致。

PVA/SA水凝胶的XRD图谱表现出半结晶性质，在19.8°处有一个强衍射峰，在22.9°处有一个肩峰，在40.6°处有一个弱峰，分别归属于结晶PVA的（101）、（200）和（102）晶面。这些峰的存在表明，冻融循环成功地在PVA基质中诱导了微晶形成，其充当物理交联点，有助于水凝胶的机械强度。

在8% g-TC复合水凝胶的XRD图谱中，PVA峰仍然显著。然而，CN在27.5°处的特征（002）峰强度显著降低并展宽。这种衰减是CN纳米片在聚合物基质中成功剥离和分散的典型标志。聚合物链穿插在CN层之间，破坏了长程堆叠顺序，导致峰强度降低。PVA肩峰向较低角度（22.6°）的轻微移动进一步表明PVA微晶的d-间距增加，这可能是由于与纳米填料的相互作用。这些观察结果共同证实了一种纳米复合水凝胶的成功制备，其中二维纳米材料被良好地整合到聚合物网络中。

通过掺入200CN/1TC纳米复合材料在PVA/SA水凝胶中实现光学吸收和带隙调控

通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）评估了水凝胶的光学性能，并使用相应的Tauc图确定带隙能量（E_g）。纯PVA/SA水凝胶显示出3.01 eV的宽带隙，这是绝缘聚合物的典型特征，意味着在可见光区域的光吸收有限。形成鲜明对比的是，8% g-TC复合水凝胶的带隙显著减小至2.80 eV。这种带隙变窄是掺入窄带隙半导体CN（E_g≈ 2.7 eV）和金属性TC的直接结果。TC的存在，凭借其高导电性，可以在CN的带隙内引入能级，并在界面处形成肖特基结，有效地降低了电子激发所需的能量。这种增强的可见光吸收对于水凝胶作为光活性抗菌材料的应用至关重要，因为它允许利用更广谱的环境光来产生活性氧。

200CN/1TC负载PVA/SA复合水凝胶的孔结构和比表面积增强

通过N₂吸附-脱附等温线对水凝胶的多孔结构进行了定量分析。纯PVA/SA水凝胶和8% g-TC复合水凝胶的等温线均可归类为具有H4型滞后回线的IV型。这种组合是微孔和介孔材料的特征，特别是那些含有窄缝状孔的材料。在这种系统中，介孔主要作为传质的传输通道，而较小的微孔则起到类似于分子筛的作用，实现分子物种的选择性筛分和分离。对于8% g-TC复合水凝胶，掺入的CN和TC纳米片与聚合物基质紧密相互作用，有效地修饰了介孔表面并创造了额外的界面。这种纳米材料-水凝胶相互作用导致了复合材料中观察到的比表面积增加和吸附性能改善，证明了纳米填料在多孔水凝胶结构中的成功整合。

纯PVA/SA水凝胶的比表面积（SSA）计算为0.2279 m²/g。掺入8% 200CN/1TC后，SSA增加到0.3589 m²/g，显著增加了57%以上。这种大幅增加可归因于两个因素：首先，二维纳米材料（CN和TC）自身固有的高比表面积；其次，更重要的是，这些纳米填料在水凝胶基质内创造了更精细、更复杂的孔结构。纳米材料在冷冻过程中干扰了大冰晶的形成，导致解冻后产生更小的孔隙，从而增加了总表面积。更高的比表面积为与细菌细胞潜在相互作用或活性氧的扩散提供了更多的活性位点，从而可能增强复合水凝胶的抗菌功效。

PVA/SA和8% g-TC复合水凝胶的结构表征

通过扫描电子显微镜（SEM）观察了PVA/SA和8% g-TC复合水凝胶的表面和截面形貌。纯PVA/SA水凝胶的表面显得光滑致密，而掺入200CN/1TC纳米复合材料后，表面变得更加粗糙，具有纤维状或条带状形貌。尽管有这种形态改变，复合水凝胶仍然均匀致密，表明纳米填料被很好地整合到聚合物基质中，而未引发宏观缺陷。

从截面视图来看，纯PVA/SA水凝胶呈现出高度多孔的内部结构，这是冻融交联水凝胶的特征。相比之下，8% g-TC复合水凝胶显示出孔隙数量适度减少和内部结构更加致密，表明嵌入的纳米材料在凝胶化过程中可以作为额外的交联点或成核位点，从而在保持整体连通性的同时稍微细化孔结构。

200CN/1TC增强PVA/SA复合水凝胶的热学、力学和溶胀性能

通过热重分析（TGA）研究了8% g-TC复合水凝胶的热稳定性和分解行为。实验数据明确证明了8% g-TC复合水凝胶具有出色的热稳定性，这主要归因于SA和PVA之间形成的牢固交联结构。这种致密的分子间网络有效地阻碍了链段运动和降解产物的挥发，从而延缓了热分解过程并提高了水凝胶的整体结构完整性。TGA曲线显示了一个多阶段分解过程，反映了材料的复杂组成。在190 °C以下的初始轻微质量损失（7.96%）与物理吸附水和结合水的蒸发有关。由纳米材料增强的强交联网络有效地保留了水，正如这种逐渐的初始损失所表明。第二个，也是最显著的质量损失步骤发生在190 °C至360 °C之间。此阶段主要归因于聚合物主链的热降解，包括PVA链的脱水、海藻酸钠的脱羧以及SA中糖苷键的断裂。在此阶段，复杂的分子内和分子间重排反应逐渐形成了高度有序且热稳定的生物炭，导致8% g-TC复合水凝胶的质量损失率约为66.21%。第三阶段（360 °C至628 °C）涉及前一阶段形成的碳质残渣的进一步热解。最后，在628 °C以上，由于剩余炭的氧化，质量缓慢持续损失。

通过拉伸测试评估了水凝胶的力学性能。纯PVA/SA水凝胶的拉伸强度约为1.2 ± 0.2 MPa，断裂伸长率约为180 ± 15%。掺入200CN/1TC纳米复合材料后，力学性能显示出明显的浓度依赖性趋势。随着纳米材料负载量的增加，拉伸强度逐渐提高，8% 200CN/1TC复合水凝胶达到最大值2.1 ± 0.3 MPa。这种增强可归因于分散良好的CN和TC纳米片的增强效应，其充当纳米填料，并可能在聚合物网络内促进额外的物理交联。相比之下，断裂伸长率随着纳米材料含量的增加而适度降低，8%复合水凝胶的伸长率约为120 ± 10%。这种降低表明嵌入的纳米材料略微限制了聚合物链的移动性，导致网络延展性降低但机械强度更高。

评估了水凝胶的溶胀行为，纯PVA/SA水凝胶的平衡溶胀比约为280 ± 15%。掺入200CN/1TC纳米复合材料导致溶胀能力呈现浓度依赖性降低。随着纳米材料负载量从0%增加到8%，平衡溶胀比从280 ± 15%逐渐降低到8%复合水凝胶的210 ± 12%。这种趋势可归因于纳米片占据孔隙空间并限制水渗透、纳米填料与聚合物网络之间增强的物理相互作用使基质更紧密，以及引入了亲水性较差的界面区域。尽管溶胀比下降，但所有复合水凝胶仍保持相当大的溶胀能力（>200%），适用于需要控制液体吸收和保持的伤口敷料应用。这些结果表明，通过掺入200CN/1TC纳米复合材料，可以有效地调控PVA/SA水凝胶的溶胀性能。

200CN/1TC-PVA/SA复合水凝胶的体外细胞相容性

本研究采用MTT法评估了在光照和黑暗条件下，含有0%、2%、4%和8% 200CN/TC的PVA/SA水凝胶对L929成纤维细胞活力的影响。结果表明，在黑暗中，所有测试浓度下均未观察到细胞活力的显著降低。在光照下，观察到细胞活力呈现浓度依赖性降低；然而，即使在最高浓度8% 200CN/TC下，细胞活力仍保持在80%以上。这些发现表明，在没有光的情况下，水凝胶没有表现出明显的细胞毒性；虽然光照激活适度影响了细胞活性，但材料在两种实验条件下均保持了良好的生物相容性。

光诱导的细胞内活性氧生成

在黑暗和光照条件（670 nm激光照射，0.45 W/cm²， 10分钟）下，评估了用复合水凝胶提取物处理的L929成纤维细胞内的活性氧水平。在黑暗条件下，所有组均显示出最小的绿色荧光，表明无论200CN/1TC负载量如何，活性氧均处于基线水平。相反，在光照下，观察到荧光强度随着纳米复合材料含量（0%、2%、4%和8%）的增加而显著增强。8% 200CN/1TC组显示出最强的荧光信号，证实了最高的光触发活性氧生成。这些结果清楚地表明，复合水凝胶以光激活和浓度依赖的方式促进了细胞内活性氧的生成，强化了其光动力抗菌机制。

200CN/1TC-PVA/SA复合水凝胶的抗菌活性

采用琼脂扩散法评估了复合水凝胶对革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的抗菌性能。观察到了明显的浓度依赖性抗菌效应。纯PVA/SA水凝胶显示出非常轻微的抑菌圈，这可能归因于海藻酸钠温和的固有抑菌特性或其物理屏障效应。然而，随着200CN/1TC含量（2%、4%、8%）的增加，对两种菌株的抑菌圈逐渐扩大并变得更加明显。值得注意的是，8% 200CN/1TC复合水凝胶表现出最显著的抗菌活性，分别对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌形成了12.3 mm和10.8 mm的抑菌圈。这些结果与在光照下观察到的细胞内活性氧生成的光催化性能直接相关，证实了光照下增强的光活性是抗菌功效的主要驱动因素。

200CN/1TC复合水凝胶显著增强的抗菌功效归因于多因素协同作用机制。在可见光照射下，CN充当光敏剂，而导电的TC促进电荷分离，从而大幅提升活性氧的生成。值得注意的是，光照下观察到的抗菌抑菌圈与通过DCFH-DA测定法定量的活性氧水平相对应，在材料的光活性与其诱导细菌氧化损伤的能力之间建立了直接联系。此外，TC纳米片锋利的二维边缘贡献了物理“纳米刀”效应，能够机械地破坏细菌细胞壁和细胞膜的完整性，导致内容物泄漏和细胞死亡。这种物理作用补充了光催化产生活性氧的过程，为对抗结构多样的病原体提供了双重攻击模式。该复合材料对革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌均表现出显著的广谱功效，克服了它们不同的膜屏障结构。PVA/SA水凝胶基质通过作为维持感染部位局部高浓度纳米材料的缓释平台，进一步增强了这种协同性能，从而确保持久的抗菌活性，并确立了该复合材料作为对抗多种细菌感染的有希望的候选材料。综上所述，这些结果表明，200CN/1TC纳米复合材料的光触发光活性是其广谱抗菌功能的核心，革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌之间的结构差异调节了光动力灭活的程度。

结论

1. 1.
   通过将电子束辐照的CN与TC整合到PVA/SA基质中，成功制备了一种新型多功能水凝胶系统，实现了纳米材料的均匀分散和强界面相互作用。
2. 2.
   该复合水凝胶表现出改善的力学性能（拉伸强度高达2.1 ± 0.3 MPa）和可调的溶胀行为，同时在光照下所有测试浓度下均保持优异的生物相容性，细胞活力高于80%。
3. 3.
   该水凝胶表现出显著的光诱导活性氧生成和浓度依赖性的广谱抗菌活性，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈分别可达12.3 mm和10.8 mm，这归因于可见光下协同的光催化活性氧生成和MXene介导的物理破坏。
4. 4.
   这项工作为设计机械坚固、光响应的伤口敷料提供了一种有前景的方案，该敷料能够通过双模式抗菌作用解决细菌耐药性问题，同时确保高生物安全性。