综述：慢性伤口生物膜靶向治疗：基于抗菌纳米复合材料的新兴策略

《Journal of Functional Biomaterials》：Targeting Biofilms in Chronic Wounds: Emerging Strategies with Antimicrobial Nanocomposites

　　

慢性伤口（chronic wounds）对全球医疗系统构成重大挑战，影响约1%的人口，并严重损害其生活质量。约90%的慢性伤口发生生物膜（biofilm）发育，导致多种微生物感染（polymicrobial infections）的患病率增加。目前存在大量抗菌局部治疗、敷料和先进疗法。然而，其中许多因复杂的生物膜环境、抗生素耐药性（antibiotic resistance）和/或宿主组织毒性而受阻。此外，传统治疗如清创术（debridement）、全身/局部抗生素和负压治疗（negative-pressure therapy）通常无法根除生物膜并促进最佳愈合条件。纳米医学（nanomedicine）方法已显示出解决当前治疗局限性的前景。在这篇综述中，研究人员讨论了慢性伤口的病理生理学、生物膜的作用、微环境变化、当前治疗方法及其局限性，以及基于纳米复合材料（nanocomposite-based）根除生物膜和解决慢性伤口的策略。

1. 引言

慢性伤口是日益严峻的医疗挑战，具有高复发率和严重影响生活质量的特点。愈合的关键障碍是结构化微生物生物膜（biofilm）的存在，该生物膜保护嵌入的细菌免受免疫清除和抗菌剂的作用。由于慢性伤口在生物学上具有复杂性（持续性炎症、灌注受损、蛋白酶失衡和信号失调），仅针对细菌或仅支持组织修复的疗法常常失败。纳米复合材料（nanocomposite）提供了一个平台，可结合抗菌和伤口调节功能，实现靶向生物膜破坏和改善愈合条件。本综述检索了Scopus、Web of Science、PubMed、Google Scholar和UTA图书馆等数据库，检索词涉及慢性伤口、生物膜和抗菌纳米复合材料，重点强调近期研究和可能情况下的实验生物膜数据。

1.1. 慢性伤口

慢性伤口通常定义为在大约3个月内未能愈合的伤口，给临床和经济带来巨大负担。伤口愈合涉及一系列相互关联的生物事件，旨在恢复皮肤完整性。该修复过程包括四个重叠阶段：止血、炎症、增殖和重塑。在止血阶段，血小板被激活并开始形成纤维蛋白凝块以控制出血。然后，分泌促炎趋化因子和细胞因子，吸引免疫细胞到该部位，开始炎症阶段。中性粒细胞（neutrophil）是最先到达的免疫细胞，通过释放氧自由基和升高蛋白酶水平来清除细胞碎片、受损细胞外基质（extracellular matrix, ECM）成分和病原体。它们通常在伤口处活跃2-5天。大约在第三天，促炎细胞因子（损伤和病原体相关分子模式，DAMPs和PAMPs）和干扰素诱导单核细胞募集并分化为M1巨噬细胞（M1 macrophage），其主要作用是产生促炎介质。此外，M1巨噬细胞通过释放基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases, MMPs）和弹性蛋白酶参与吞噬作用，从而调节蛋白水解活性，并协调从炎症到增殖的转变。一旦M1巨噬细胞清除受损组织并吞噬细菌，一些抗炎分子（前列腺素、糖皮质激素、白细胞介素4和10）促进它们转化为M2巨噬细胞（M2 macrophage），其主要功能是进一步释放抗炎分子，如血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor, PDGFβ）和转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1, TGF-β1）。这些生长因子在控制炎症、激活成纤维细胞和促进其分化为肌成纤维细胞以进行组织重塑方面至关重要。它们还刺激血管生成、胶原合成和ECM产生，从而促进肉芽组织发育和协助组织修复。相比之下，慢性伤口表现出愈合受损，其特征是持续性炎症。在美国，约35%的伤口被归类为慢性伤口，包括压力性溃疡、糖尿病足溃疡、静脉性溃疡和动脉性溃疡。这些不愈合伤口构成重大的公共卫生负担，特别是在老年人和患有合并症（如肥胖、糖尿病、年龄增长、营养不良和心血管疾病）的患者中。虽然慢性伤口在分子水平上因类型不同而病因各异，但所有类型都存在免疫系统失调，其特征是中性粒细胞和巨噬细胞过度活跃、T细胞大量存在、蛋白酶水平升高、MMP水平升高、衰老细胞以及促炎细胞因子上调。此外，约90%的慢性伤口含有多种微生物生物膜，这通过可能放大抗生素耐药性的发展而加剧其慢性化，因为生物膜对宿主免疫系统、抗菌剂和消毒剂的抵抗力高出1-3个数量级。因此，病原菌的定植程度与慢性伤口中观察到的慢性化水平相关。

1.2. 慢性伤口发病机制与生物膜

慢性伤口通常由需氧和厌氧病原体组成的多种微生物群落定植，最显著的是金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, P. aeruginosa）。这些微生物表现出内在和获得性抗生素耐药机制，增强了毒力并使治疗复杂化。当细菌附着于组织、增殖并分泌提供结构稳定性和保护的细胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）基质时，就会形成生物膜。在这个基质内，细菌表现出代谢活性降低和基因表达改变，增加了对抗菌剂和免疫反应的耐受性。群体感应（quorum sensing, QS）通过密度依赖性信号进一步调节生物膜形成、毒力和群落行为，强化了持续性和复发。总之，生物膜相关的耐药机制——包括代谢休眠、EPS屏蔽和水平基因转移——显著限制了常规抗生素的有效性。因此，多种微生物定植会损害伤口愈合，并导致这些伤口的慢性化。生物膜通过减少巨噬细胞吞噬作用、破坏活性氧（reactive oxygen species, ROS）信号、抑制中性粒细胞活性以及通过EPS介导的隔离限制有效调理作用，损害慢性伤口中的宿主免疫功能。这些效应维持慢性炎症状态，破坏关键调节通路，导致生长因子水平降低（如转化生长因子TGF、血管内皮生长因子VEGF、血小板衍生生长因子PDGF和表皮生长因子EGF）和组织修复受损。同时，伤口微环境逐渐失调，表现为碱性pH、缺氧、蛋白酶失衡、细胞增殖减少和成纤维细胞衰老。这些变化共同强化了生物膜持续性，并形成一个自我延续的循环，其中免疫力受损、组织降解和微生物活性相互加剧。生物膜相关细菌还通过释放酶和毒素来降解细胞外基质并维持炎症。因此，慢性伤口具有持续性炎症、渗出液过多和肉芽组织质量差的特点，导致愈合延迟和频繁复发。

1.3. 慢性伤口的病理生理微环境变化

不愈合伤口内的许多微环境因素随着慢性化的进展而发生变化，促进生物膜形成并增加细菌毒力。例如，研究发现铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）在37°C时生物膜形成减少，但在较高pH下增加，在pH 8.5时达到139-244%更多的生物膜。同样，研究表明糖尿病伤口中升高的氧化应激降低了微生物多样性，并促进了生物膜形成病原体的定植。相反，生物膜进一步改变伤口微环境：研究发现生物膜由于细菌消耗而将条件转向碱性（pH ≥ 8.0）和较低氧水平。当治疗减少菌落形成单位（colony-forming units, CFUs）时，pH降低，氧水平升高。总体而言，pH、氧张力和ROS的变化形成了一个自我强化的循环，促进生物膜形成并损害伤口愈合。

1.3.1. pH

在伤口愈合过程中，pH调节关键过程，包括感染控制、氧释放、蛋白酶活性和抗菌功能。急性伤口表现出动态的pH变化，最终恢复到酸性环境，该环境有利于成纤维细胞活性并限制细菌生长。相比之下，慢性伤口由于生化过程紊乱而变得碱性（pH 7.15-8.9），促进分解代谢和生物膜形成。一致地，较高的pH水平（7.5-8.5）增强生物膜产生，而酸性条件抑制它。总体而言，酸性pH有利于组织再生和微生物控制，而碱性pH损害愈合并促进生物膜发育，使pH调节成为管理慢性伤口的关键策略。

1.3.2. 组织氧

氧是伤口愈合的关键调节因子，支持感染控制和关键细胞过程，如再上皮化、成纤维细胞增殖、胶原合成和血管生成。损伤后，血管破坏降低氧水平，导致缺氧，最初促进生长因子介导的细胞增殖和血管生成，但需要恢复血管供应才能正常愈合。组织氧张力（tissue oxygen tension, PtO2）早期下降并在愈合过程中逐渐恢复；然而，细胞功能高度依赖氧。例如，中性粒细胞抗菌活性在PtO2低于40 mmHg时降低，而成纤维细胞胶原产生需要30-40 mmHg。慢性伤口因灌注受损和持续性炎症表现出持续缺氧（PtO2 5-20 mmHg），有利于细菌生长和组织坏死。因此，恢复氧平衡对于破坏生物膜和实现有效伤口修复至关重要。

1.3.3. 伤口愈合中的活性氧（ROS）

内源性活性氧（reactive oxygen species, ROS）是氧衍生的中间体，包括自由基如超氧阴离子（superoxide, O₂^?）和羟基自由基（hydroxyl, ·OH），以及非自由基如过氧化氢（hydrogen peroxide, H₂O₂）。ROS通过氧化损伤（如脂质过氧化和DNA损伤）清除病原体，并通过激活免疫和细胞反应（包括自噬、中性粒细胞胞外陷阱形成和T细胞信号传导）促进伤口愈合。此外，ROS作为信号分子调节关键过程，如巨噬细胞活化、血管生成（通过HIF-1α）和单核细胞分化（通过NADPH氧化酶途径）。H₂O₂作为中心第二信使，以浓度依赖性方式促进血管生成、细胞迁移和再上皮化。低至中等水平刺激成纤维细胞、内皮细胞和角质形成细胞增殖，而特定浓度诱导趋化性、VEGF信号传导和炎性介质产生。其他ROS，包括O₂^?和·OH，主要支持抗菌防御。然而，慢性伤口中过量的ROS导致持续性氧化应激、慢性炎症和愈合受损。外源性ROS递送系统，如释放H₂O₂的绷带和水凝胶，已显示出对伤口病原体的强效抗菌活性。尽管有这些益处，但严格调节ROS水平至关重要，因为高浓度会延长炎症并延迟愈合。总体而言，平衡的ROS产生至关重要，其水平在早期炎症期间短暂升高，并在愈合进展时恢复到基线。因此，了解慢性伤口中的微环境变化对于开发有效解决其复杂性的新疗法至关重要。

1.4. 当前慢性伤口治疗方法及其局限性

2003年，国际伤口床准备咨询委员会制定了管理不同类型伤口的综合方法，称为T.I.M.E.（组织管理、感染和炎症控制、湿度平衡、上皮边缘推进）。首先，通过清创术去除无活力组织。然后，使用抗生素以尽量减少感染和炎症。接下来，通过应用敷料纠正湿度失衡。最后，添加生长因子等疗法以促进上皮化。目前对不愈合感染伤口的护理标准遵循T.I.M.E.方法，采用手术、自溶性/酶性或化学清创去除无活力坏死组织并根除生物膜，然后应用局部和全身抗菌剂，最后使用敷料提供湿润环境并限制细菌生长。其他用于不愈合伤口的常规治疗包括全身和局部抗生素、高压氧治疗和负压伤口治疗（negative-pressure wound therapy, NPWT）。T.I.M.E.方法在慢性伤口管理中的主要局限性之一是清创方法在根除细菌感染和生物膜方面的无效性。清创可能将生物膜结构推入更深层组织，且单独使用可能不足以去除生物膜，导致清创后48小时内从残留细菌中再生生物膜。此外，其他缺点包括由于持续使用全身抗生素和局部抗菌剂导致的广泛细菌耐药性、NPWT引起的接触性皮炎、疼痛以及高剂量局部抗菌剂的毒性。因此，传统方法在治疗生物膜方面的无效性是一个显著劣势，导致慢性伤口的高失败率和复发率。例如，糖尿病溃疡复发率为60%，压力性溃疡为23-40%，静脉性溃疡为24-57%。值得注意的是，慢性伤口的5年死亡率高于结直肠癌、前列腺癌和乳腺癌，这主要是由于现有治疗方式的有效性不足。总体而言，生物膜因抗菌耐药性和清创后复发以及对抗菌剂的高耐药性而使治疗方案复杂化。尽管已有70多种产品获得FDA批准用于伤口管理，但只有3种产品（贝卡普勒明凝胶、Dermagraft和Apligraft）被特别批准用于慢性伤口。鉴于专门针对慢性伤口治疗的产品短缺，需要新的方法来破坏慢性伤口中的生物膜并有效促进伤口愈合。基于纳米技术的抗菌材料的独特性质使其成为开发最佳材料以破坏生物膜并帮助解决当前治疗缺点的优良候选者。

2. 根除伤口生物膜的纳米医学方法

用于治疗慢性伤口中生物膜的纳米医学方法因其适应性、可调性和穿透生物膜屏障的能力而具有巨大潜力。将材料减小到纳米尺寸会增加其表面积与体积比，从而增强其物理化学反应性。这些物理化学性质使纳米颗粒（nanoparticles, NPs）成为促进伤口愈合的优良候选者。NPs可以设计成模仿细胞成分，并可定制以改变伤口环境。此外，它们可以作为药物递送系统，帮助伤口修复，定制以具有抗菌特性，破坏EPS以靶向生物膜，并诱导生物膜分散。将NPs配制成纳米复合材料（nanocomposite）是增强其治疗潜力的策略。

2.1. 纳米复合材料

纳米复合材料是多相材料，其中一相由分散在基质中的纳米级颗粒组成，提供多功能能力。纳米复合材料已被证明可促进组织再生、帮助控制感染并增强治疗效果；它们还可以设计为改善机械性能、热稳定性、渗透性和导电性。此外，纳米复合材料已被证明可增强抗菌活性，并且比单独使用NPs更有效。它们可以设计成对细菌细胞表现出高选择性，并穿透生物膜的细胞外聚合物基质，使其成为对抗慢性伤口生物膜和耐药细菌的优良候选抗菌剂。例如，一项研究开发了嵌入聚（甲基丙烯酸羟乙酯）-壳聚糖水凝胶中的氧化铈纳米颗粒纳米复合材料，用作伤口敷料。结果表明，该纳米复合材料在体外将金黄色葡萄球菌生物膜减少约85%，大肠杆菌生物膜减少100%，促进体内14天内更快的伤口闭合和完全愈合。另一个例子是用于糖尿病伤口的聚多巴胺NPs/明胶氧化葡聚糖纳米复合材料，结果显示金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的细菌活力降低99%。因此，多项研究证明，将纳米颗粒结合到基质中能够创建具有定制功能的材料，与单一材料相比，其抗菌性能产生协同增强，使其成为多种应用的最佳选择。

2.2. 纳米复合材料对抗慢性伤口生物膜的抗菌机制

抗菌纳米复合材料通过几种不同的生物学机制消除生物膜和浮游细菌，包括产生ROS和氧化应激、分散或破坏EPS基质、对细菌细胞膜造成物理损伤、释放金属离子、抑制群体感应通路，以及一系列增强抗菌性能的协同或刺激响应作用。以下将按机制类别讨论纳米复合材料。

2.2.1. 产生ROS的纳米复合材料

产生ROS是破坏慢性伤口中细菌生物膜的广泛采用策略。该方法主要涉及超过细菌抗氧化能力，导致严重氧化应激，损害生物膜细胞外基质和嵌入细菌细胞的膜。由此产生的效应包括离子泄漏、膜去极化和细菌细胞结构完整性受损。此外，某些ROS如H₂O₂可穿透细菌细胞并参与芬顿型反应，产生羟自由基（·OH），破坏DNA、破坏含Fe-S簇的酶并损害细菌呼吸途径。产生ROS的纳米复合材料通过靶向关键细胞外聚合物（EPS）成分（包括多糖、蛋白质和胞外DNA）来破坏生物膜基质。该过程导致基质碎片化、孔隙率增加以及对免疫清除和递送的抗菌剂的易感性增强。此外，使用能够产生ROS的金属和金属氧化物纳米颗粒或光催化材料来开发纳米复合材料，创造局部氧化微环境，加速EPS降解和细菌杀伤，从而实现成熟生物膜的更深层穿透和破坏。

金属和金属氧化物基纳米复合材料：金属如钛、铁、银、铜、锌、铈及其氧化物纳米颗粒因其固有的抗菌特性和比块状材料更有效地穿透生物膜的能力而被广泛研究用于生物膜管理。其纳米尺寸、高表面积和可调表面电荷促进了与细菌细胞和EPS基质的密切相互作用。金属纳米颗粒的抗菌活性通常源于三种相互关联的机制：a）通过产生ROS产生的氧化应激，b）对细菌细胞壁和膜的物理破坏，以及c）通过释放金属离子干扰细胞内结构和蛋白质功能。例如，银和铜基纳米复合材料主要通过表面氧化还原循环产生ROS，其中纳米颗粒的氧化还原活性表面释放电子，将分子氧还原为超氧阴离子（O₂^?）。然后，超氧阴离子进一步转化为H₂O₂和羟自由基（·OH）。同时，释放的金属离子（如Ag⁺、Cu²⁺和Zn²⁺）通过抑制抗氧化酶（如过氧化氢酶和超氧化物歧化酶）、破坏Fe-S簇蛋白以及增加呼吸作用的细胞内ROS泄漏来破坏细菌氧化还原稳态。这些氧化和离子应力的组合效应抑制了抗菌耐药性的发展。将金属或金属氧化物纳米颗粒掺入基质中以形成纳米复合材料，通过增加稳定性、调节离子释放和引入额外的生物活性来增强其功效。例如，一项研究开发了季铵壳聚糖衍生物氯化银纳米复合材料（QAm1Agn），对铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌和MRSA分别实现了6.2、5.0和4.5的对数减少，并减少了多种微生物生物膜。类似地，另一项研究开发了功能化二氧化硅-氧化铈纳米复合材料，抑制了金黄色葡萄球菌（99.9%）和大肠杆菌（81%），防止了80%的生物膜形成，并破坏了77%的已建立生物膜。尽管具有强效抗生物膜活性，但金属和金属氧化物纳米复合材料在高浓度单独使用时可能表现出剂量依赖性细胞毒性。因此，将其整合到生物相容性基质中或与互补治疗策略相结合，对于平衡抗菌功效与安全性以支持其临床转化至关重要。

光催化-可见光响应系统：光催化纳米复合材料是用于破坏慢性伤口中生物膜的主要产生ROS的材料类别。当半导体纳米颗粒吸收等于或大于其带隙能量（Eg）的光能（光子）时，价带（valence band, VB）中的电子被激发并跃迁到导带（conduction band, CB），留下带正电的空穴（h⁺）。这些电子-空穴对驱动纳米颗粒表面的氧化还原反应：光生电子将分子氧（O₂）还原为超氧自由基（O₂^?），而空穴将水（H₂O）或氢氧根离子（OH^?）氧化为羟自由基（·OH）。其他ROS，包括单线态氧（¹O₂）和H₂O₂，进一步放大氧化应激。这些物种共同损害细菌膜、蛋白质、核酸和稳定生物膜的细胞外聚合物。纳米复合材料通过组合多种材料来增强光催化性能，以拓宽光吸收范围、抑制电子-空穴复合以及增加产生ROS的反应表面积。光催化纳米复合材料被认为对慢性伤口治疗更安全、更有效。这些材料仅在暴露于特定激活波长时才产生受控的、表面局部的ROS。这种光依赖性激活限制了不必要的ROS产生，还减少了周围健康组织中的氧化应激，并最大限度地减少了与持续释放离子的金属纳米颗粒相关的细胞毒性。光催化纳米复合材料的一个例子是基于氧化石墨烯的纳米复合材料，该材料针对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和粪肠球菌的生物膜进行了测试。结果表明，GO/TiO₂(V-N)纳米复合材料表现出增强的抗菌活性，并有效抑制了所有四种细菌菌株的EPS产生和生物膜形成。类似地，另一项研究合成了GO/Zn(Cu)O纳米复合材料，该化合物在光照下表现出协同效应，放大了抗菌和抗生物膜活性。这种效应源于金属氧化物纳米颗粒和作为电子受体和运输体的氧化石墨烯（graphene oxide, GO）的组合光催化性能，它减少了电子-空穴复合并增加了ROS产生。这表明将Zn和Cu O NPs掺入GO基质中，并结合光催化效应，产生超越单独纳米颗粒或暗态下的协同抗菌响应。除了抗菌特性外，当暴露于405-904 nm范围内的光时，光催化纳米复合材料还可以促进伤口愈合。当光催化纳米复合材料暴露于这些波长范围内的光照射时，会刺激关键细胞过程，包括DNA/RNA合成和蛋白质产生。例如，蓝光（blue light, BL）波长（400-470 nm）促进血管生成、胶原合成、成纤维细胞迁移和增殖，还减少炎症并刺激一氧化氮（nitric oxide, NO）的产生，NO是一种可增加血流量的血管扩张剂。此外，BL无需光敏剂即可杀死细菌，它激活细菌的内源性光敏剂，主要是卟啉，其最大吸收波长为405 nm。例如，BL对MRSA显示出杀菌作用，导致细菌细胞膜损伤，细胞成分泄漏和完全裂解。BL还在34种临床病原体分离株中进行了测试，结果表明它可用作针对多种浮游细菌和临床病原体成熟生物膜的抗菌剂。然而，BL的一个显著缺点是穿透深度有限，可能导致生物膜内细菌的部分根除。这个问题可以通过将BL疗法与近红外光（NIR）结合来解决，因为NIR具有更深的组织穿透性。这种组合产生协同效应，破坏慢性伤口中的生物膜。

2.2.2. EPS基质分散/降解纳米复合材料

慢性伤口生物膜的EPS基质对抗菌剂构成了最重大的挑战之一。EPS主要由多糖、蛋白质、核酸和脂质组成，形成保护屏障，严重限制抗菌剂的渗透，并通过静电相互作用或酶促降解促进其失活或破坏。靶向EPS的纳米复合材料利用分散机制通过破坏EPS基质来破坏慢性伤口中的生物膜。分散是指生物膜内封装的细菌通过被动或主动机制释放，恢复到浮游状态。被动分散依赖于物理外力介导的触发因素，直接从生物膜中释放细胞。而主动分散机制由抗生物膜刺激（如靶向EPS基质成分的酶）引发。纳米复合材料中的主要分散策略包括使用酶功能化载体（蛋白酶或DNase）和NO递送系统。

蛋白酶功能化纳米复合材料：蛋白酶功能化材料利用酶促降解细胞EPS来物理释放嵌入的细菌并使抗生素能够进入。已观察到几种蛋白酶具有生物膜分散能力，包括蛋白酶K（proteinase K），它对24和48小时的金黄色葡萄球菌生物膜和大肠杆菌生物膜显示出细菌分散能力。其他蛋白酶包括胰蛋白酶、胃蛋白酶和香芹酚，它们可以分散铜绿假单胞菌和粪肠球菌生物膜。蛋白酶促进慢性伤口中生物膜分散的主要机制是酶促水解EPS内的蛋白质成分和裂解黏附素。例如，一项研究开发了蛋白酶功能化纳米复合材料，使用Carbopol Aqua SF1纳米凝胶固定Alcalase 2.4 L FG（一种丝氨酸内肽酶），该纳米复合材料对铜绿假单胞菌、表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌实现了生物膜质量的6倍减少和活细胞形成单位的3个对数减少，证实了蛋白酶功能化纳米载体破坏和清除细菌生物膜的能力。在另一种蛋白水解纳米复合材料配方中，将沙雷肽酶（serratiopeptidase, STP）封装在囊泡配方中并掺入纳米纤维素凝胶中，结果显示该系统能够增强STP酶活性和稳定性，并允许STP延长释放。然而，结果仅显示对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌约50%的生物膜抑制，而游离STP显示出约60%的生物膜抑制。

DNase I功能化纳米复合材料：脱氧核糖核酸酶I（Deoxyribonuclease I, DNase I）常用于通过水解降解生物膜的胞外DNA（extracellular DNA, eDNA）成分。eDNA是细菌生物膜EPS基质的功能性和结构性成分，其主要功能是促进初始黏附、提供对环境胁迫的抵抗力和维持结构完整性。将DNase掺入纳米复合材料可增加其稳定性并保护其免受蛋白水解，从而允许EPS基质分散，同时增强抗生素敏感性、改善免疫系统清除并产生整体增强的抗菌效果。例如，一项研究将DNase-I掺入负载固体脂质银磺胺嘧啶（silver sulfadiazine, SS）纳米颗粒的壳聚糖凝胶中，结果显示将DNase-I掺入纳米颗粒和壳聚糖凝胶中导致更高的抑制率（96.8%），而SS/DNase I组合达到82.9%，表明纳米复合材料的抗菌活性增强。尽管酶嵌入纳米复合材料已被证明可增强生物膜抑制和破坏，但由于慢性伤口中生物膜的多种微生物性质以及EPS基质组成随物种变化，有效的系统需要组合多种机制。

2.2.3. 接触杀灭/膜破坏纳米复合材料

接触杀灭纳米复合材料通过与细胞膜的直接物理或静电相互作用破坏生物膜嵌入的细菌。与传统的抗生素不同，这些纳米复合材料在接触时作用，提供生物膜中细菌的局部杀灭，并防止抗菌耐药性的发展。

静电相互作用：静电相互作用是抗菌纳米复合材料中最基本和最广泛利用的接触杀灭机制之一。细菌细胞表面由于革兰氏阳性菌的磷壁酸和革兰氏阴性菌的脂多糖而固有地带负电。设计带有正电荷聚合物、阳离子金属种类和官能团（如壳聚糖和金属氧化物）的纳米复合材料可以通过静电吸引强烈结合到细菌细胞膜上。这通过增加通透性、破坏脂质双层和引起细胞内成分泄漏来使膜不稳定。生物膜的EPS基质也带有净负电荷，允许阳离子纳米复合材料更有效地穿透并杀死生物膜嵌入细胞。使用静电相互作用作为其主要作用机制的纳米复合材料对革兰氏阳性菌更有效，因为这些细菌固有地带更多负电，从而更有效地吸引和扩散带正电的纳米颗粒。用于开发具有静电相互作用的纳米复合材料的最常见材料是壳聚糖、银、金属氧化物和氧化石墨烯。壳聚糖是一种阳离子聚合物，可与EPS和细菌的阴离子表面相互作用，导致膜去极化和破坏。类似地，银纳米颗粒基纳米复合材料释放带正电的离子，这些离子结合到带负电的细菌表面，触发ROS产生，并导致生物膜破坏和细菌死亡。

光热纳米复合材料：光热（photothermal, PT）纳米复合材料通过结合局部热、结构损伤和协同生物化学效应来破坏生物膜并杀死细菌，从而克服生物膜嵌入微生物的自然防御。PT纳米复合材料的抗菌机制基于光热疗法（photothermal therapy, PTT）或将近红外光（NIR）转化为局部热。在NIR照射下，光热剂（photothermal agents, PTAs）将吸收的光转化为热能，从而升高局部生物膜温度。这种局部热通过使EPS的核酸和蛋白质失活来软化和破坏EPS基质，从而增加其渗透性并暴露先前受保护的细菌。然后，细菌细胞膜被破坏，细胞内成分变性，导致细菌细胞死亡。NIR光光子能量通过组织的穿透取决于所用波长、产生的能量、吸收、散射、辐照面积和脉冲。PTT中使用的红外（IR）光谱区域范围为760至1400 nm，可深入穿透真皮组织，其中810-830 nm（近红外NIR）显示出最大的穿透深度（约30-40 mm）。除了PTT在根除慢性伤口中生物膜和耐药细菌方面的抗菌潜力外，它们还可以通过促进成纤维细胞增殖、调节炎症反应和刺激血管生成（微血管形成）来加速伤口愈合。作为单一模式，PTT具有主要缺点，包括需要高剂量的光热剂和高功率激发光才能达到所需的抗菌效果，这可能导致不必要的组织损伤和炎症，进一步恶化慢性伤口状态。为了克服PTT的局限性，光热响应纳米复合材料已成为治疗慢性伤口的有前景的方法。水凝胶具有吸收大量水的能力，有助于稳定伤口部位内的温度，从而避免健康组织损伤。将NPs掺入水凝胶中进行PTT创建了一个多功能平台，可以显著增强PTT效果，同时由于NPs在吸收光时在特定区域定位热量的能力，进一步最小化对健康组织的损伤。例如，一项研究开发了NIR-II触发的纳米复合材料，由卡那霉素衍生的碳纳米点和一氧化氮供体负载到树枝状二氧化硅包覆的三层核壳转换材料中，结果显示过氧亚硝酸盐增强的MRSA抗生物膜活性，生物膜清除率达95.9%，EPS减少7.5倍，体内糖尿病伤口模型中伤口愈合率约90.7%。另一个光热纳米复合材料的例子是开发的多功能NIR触发可注射水凝胶，由铂修饰的硝普钠-卟啉金属有机框架与金纳米颗粒组成。该纳米复合材料针对大肠杆菌、MRSA、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌、肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌生物膜测试抗菌活性，结果表明单独NIR照射对破坏生物膜没有影响；而当纳米复合材料（250 μg/mL）暴露于NIR照射（660和808 nm）时，在10分钟内实现了99%的细菌抑制。此外，在开发用于慢性伤口的纳米复合材料时，掺入增强光热效率的材料至关重要，其中一种材料是聚多巴胺（polydopamine, PDA），一种具有强NIR吸收的聚合物，可增强光热转换效率。一个基于PDA的纳米复合材料与PTT疗法联合使用的例子是开发一种系统，其中聚多巴胺纳米颗粒与壳聚糖结合，创建NIR响应系统以将抗生素递送到伤口床，结果显示对金黄色葡萄球菌的杀菌效率达98.9%，更高的成纤维细胞增殖、更厚的表皮和更多的血管形成。虽然这些研究表明光热响应纳米复合材料是治疗慢性伤口的有前景方法，但作为单一治疗使用时，它们可能无法解决慢性伤口病理学中的所有促成因素。因此，它们可能无法在伤口环境中实现细菌的完全根除。

2.2.4. 群体感应（QS）抑制/代谢干扰

慢性伤口中的生物膜受群体感应调节，允许细菌通过化学信号分子进行通信，并在种群数量高时协调生物膜表型基因的表达。这使细菌能够产生EPS、激活毒力因子并增加抗生素耐药性。破坏QS或细菌代谢途径会削弱生物膜的结构完整性和韧性，使细菌对抗菌剂和免疫清除更敏感。QS信号的结构修饰可以破坏通信并降低致病性。设计用于破坏QS抑制剂或干扰细菌代谢途径的纳米颗粒可以拮抗受体、破坏生物膜和降解信号分子，从而增强生物膜对抗菌剂的敏感性。纳米复合材料使用多种机制来抑制QS，包括自身诱导剂的酶促失活、金属纳米颗粒对QS受体的干扰以及基因水平的QS抑制。例如，针对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的Las/RhL/agr QS回路以降低毒力。在其他情况下，将天然酚类掺入纳米复合材料以下调QS AI-2信号基因（如luxS、pfs），导致EPS减少和细菌运动性降低。

2.2.5. 刺激响应激活

刺激响应纳米复合材料被设计为响应特定的外源性或细胞内微环境刺激（如pH、酶、氧化还原电位、温度、磁性、光和电）而改变或启用靶向治疗作用。通过整合这些刺激响应机制，纳米复合材料可以精确靶向生物膜内的细菌，增强组织穿透性，并减少抗菌耐药性的发展，使其成为克服传统慢性伤口治疗局限性的有前景方法。在慢性伤口的背景下，刺激响应纳米系统可以被设计为响应pH、酶、氧化还原梯度、温度、磁性以及光（光热和光催化）。pH响应纳米复合材料：慢性伤口生物膜产生与健康皮肤不同的碱性微环境。pH响应系统利用这种梯度来触发抗菌肽释放、激活催化纳米酶、促进电荷转换以增强细菌膜结合，以及破坏EPS结构。磁性响应纳米复合材料：磁性响应纳米复合材料对于治疗慢性伤口生物膜非常有益，因为它们提供按需、靶向、非侵入性治疗。它们通过结合机械破坏、磁热热疗、催化ROS产生和靶向药物递送的多模式机制对抗生物膜。当暴露于外部交变磁场（alternating magnetic field, AFM）时，磁性纳米颗粒产生局部热和机械运动，破坏保护性EPS基质并允许抗菌剂深入渗透到生物膜中。一项研究开发了填充聚多巴胺中空棒的多功能Fe₃O₄纳米颗粒（Fe₃O₄@PDA）用于治疗金黄色葡萄球菌生物膜，结果显示在旋转磁场下能够物理破坏金黄色葡萄球菌生物膜，20分钟后生物膜生物量减少高达40%。在另一项研究中，开发了超磁性IONPs/AG NPs，IONPs诱导的氧化应激及其与细菌细胞表面结合的能力被证明可抑制细菌黏附因子。IONPs的超顺磁特性增强了抗菌活性，铜绿假单胞菌对抗菌纳米复合材料的敏感性最高，而MRSA最低。当暴露于电磁场时，IONPs/Ag NPs作用机制的组合将生物膜抑制从15%增加到40%，显示了同时使用多种机制根除生物膜的优势。

2.2.6. 多模式协同纳米复合材料

整合两种或多种抗菌模式的多模式纳米复合材料已成为更有效对抗慢性伤口中生物膜的有力平台。结合多种机制来克服慢性伤口生物膜和细菌耐药性可以产生增强抗菌和治疗效果同时减少副作用的系统。例如，光热系统产生局部过热以破坏细菌膜和生物膜基质；光催化组分产生ROS氧化损伤细胞成分。当将这些效应结合到单一纳米平台中时，通常可以在比任何单一模式更低的温度和剂量下实现有效的细菌根除，减少对宿主组织的附带损伤并限制全身毒性，这些系统有潜力靶向细菌感染、破坏生物膜、调节伤口微环境并积极促进伤口愈合。

光催化/动态与光热纳米复合材料：将光热与光催化响应系统结合可以产生协同效应，增强抗菌功效并降低副作用和抗生素耐药性发展的风险。光热疗法以时空可控方式产生热量以根除细菌，并且当与光催化或光动力模式结合时，可以加速细胞内渗透。这种协同作用源于热、光激活催化和ROS产生在生物膜破坏的每个水平上相互增强。光催化纳米材料在光激发时产生ROS，但其催化效率取决于温度。光热效应通过局部热疗（45-55°C）增强光催化，增加半导体材料中的电子迁移率，减少电子-空穴复合，允许更多电子参与形成ROS的反应，并加速表面氧化还原反应。此外，热使EPS蛋白变性。催化产生的ROS具有非常短的扩散距离；光热效应允许ROS穿透更深，达到固着细菌并氧化细胞内靶标。例如，使用MXene@Zn-MOF纳米复合材料，该材料具有光热和光催化特性，为感染伤口提供抗生物膜治疗，其组合机制包括MXene的强光热转换和Zn²⁺离子的光催化ROS形成，结果显示纳米复合材料破坏了EPS基质并允许ROS到达更深层组织。另一个例子是硒-碲掺杂氧化铜纳米颗粒基纳米复合材料中光热和光动力模式的组合，显示出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生物膜增强的抗菌和抗生物膜活性的协同效应，为治疗耐药细菌提供了有希望的替代方案。

光热与群体感应抑制纳米复合材料：光热疗法与群体感应抑制的结合代表了一种策略，通过热进行物理破坏与通过阻断细菌通信进行分子破坏相结合。这种方法能够应用低温（40-45°C）光热疗法，最小化组织损伤。例如，壳聚糖-吲哚菁绿/木犀草素纳米复合材料的开发实现了体外99.9%的生物膜抑制和体内89%的伤口闭合。总体而言，虽然采用单一抗菌机制的纳米复合材料显示出靶向和减少生物膜相关细菌的明显能力，但多功能纳米复合材料在解决慢性伤口生物膜的复杂多层结构方面被证明更有效。通过在单一平台内结合互补作用，这些先进系统与单一机制对应物相比，实现了更有效的生物膜破坏和增强的抗菌性能。

2.3. 纳米复合材料平台的关键分析

尽管已开发出多种多样的抗菌纳米复合材料平台来靶向慢性伤口生物膜，但其有效性高度依赖于伤口特异性限制，包括缺氧、多种微生物组成和微环境不稳定性。比较评估强调，没有单一机制是普遍最优的，每种平台都表现出决定其转化潜力的独特优势和局限性。

2.3.1. 产生ROS的系统

产生ROS的纳米复合材料提供广谱抗菌活性，并能够通过氧化应激穿透和降解EPS基质。这使得它们对成熟生物膜特别有效。然而，它们的性能强烈受湿度和氧气可用性以及局部抗氧化防御的影响。在缺氧的慢性伤口中（氧张力通常有限），ROS介导的杀伤可显著降低。此外，不受控制的ROS产生增加了宿主组织损伤的风险，限制了安全剂量阈值。

2.3.2. 接触杀灭平台

接触杀灭纳米复合材料（如阳离子聚合物和金属基表面）独立于氧气可用性运作，并诱导快速的细菌膜破坏。这些系统对休眠或代谢不活跃的细菌有效，这是慢性伤口中的关键优势。然而，它们的作用通常局限于直接接触表面，限制了穿透到更深生物膜层的能力。此外，强烈的膜破坏性相互作用如果未仔细设计，可能对宿主细胞产生细胞毒性。

2.3.3. EPS破坏系统

靶向EPS的纳米复合材料直接针对生物膜的主要结构屏障，增强渗透性并改善共递送抗菌剂的功效。然而，它们的有效性高度依赖于生物膜组成，该组成因物种和伤口类型而异。在富含蛋白酶的慢性伤口环境中，酶不稳定性和快速降解也限制了它们的耐久性。

2.3.4. 群体感应抑制剂

群体感应抑制策略靶向细菌通信途径而非生物膜结构。这些系统在预防早期生物膜形成和降低毒力方面尤其有效。然而，由于对已建立的EPS架构和细菌保护机制影响有限，仅抑制不足以破坏成熟生物膜。

2.3.5. 光催化系统

光催化纳米复合材料通过光激活产生ROS，实现受控抗菌效果，并减少脱靶毒性。它们的优势包括可调激活和与多功能设计的兼容性。尽管如此，它们对光穿透和氧气可用性的依赖性限制了在深层或灌注不良的伤口组织中的有效性。

2.3.6. 光热系统

光热系统在照射（通常为NIR）时产生局部热，提供更深的组织穿透和氧无关的活性。它们在破坏EPS结构和快速杀死细菌方面非常有效。然而，实现足够的抗菌功效通常需要高的局部温度或照射强度，引发对周围组织热损伤的担忧。

2.3.7. 刺激响应纳米复合材料

刺激响应纳米复合材料代表了相对于被动系统的重大进步，通过基于伤口条件（如pH、酶和ROS水平）实现位点特异性激活。这些系统提高了治疗精度，减少了全身毒性，并增强了生物膜靶向效率。然而，它们的复杂性在重复性、大规模生产和监管批准方面引入了挑战。

2.3.8. 多模式纳米复合材料

通过整合互补机制，多模式纳米复合材料有潜力超越单一机制系统。这些平台可以克服微环境限制，靶向结构和功能，并有助于减少耐药性发展。然而，它们的复杂性在可扩展性、重复性和监管批准方面引入了权衡，这仍然是临床转化的主要障碍。

3. 纳米复合材料的临床转化与商业化实例

尽管大多数基于纳米复合材料的抗菌系统仍处于临床前开发阶段，但少数获得FDA批准且临床确立的包含纳米级材料的伤口护理产品已达到常规医疗用途。目前，只有少数伤口护理产品可以明确归类为基于纳米技术，且所有都是银纳米结构。它们的成功采用表明纳米复合材料可以转化为安全、可扩展且临床有效的伤口疗法。这些例子突显了下一代纳米复合材料的转化潜力。

4. 纳米复合材料的挑战与局限性

4.1. 科学层面

生物膜微环境是动态且空间异质的，创造的条件强烈促进伤口慢性化。尽管纳米复合材料常在体外系统中表现出强大的抗菌和抗生物膜活性，但其体内性能往往无法完全根除成熟的多物种生物膜。这可能是由于复杂的生物膜微环境和生物膜嵌入细菌的休眠状态显著降低了纳米复合材料的功效。此外，平衡抗菌效力与宿主细胞生物相容性仍然是一个主要的科学挑战。金属基纳米复合材料（如Ag、Cu、Au、ZnO和Fe₃O₄）已被证明表现出剂量依赖性细胞毒性。在高浓度下，它们可能导致全身吸收和器官蓄积，导致基因毒性、ROS驱动的宿主细胞损伤、炎症、肾毒性和组织损伤。此外，长期或不受控制的金属离子释放可能促进耐药细菌的出现。因此，在不损害健康组织的情况下实现选择性毒性是一项挑战。为克服这些局限性，需要更深入地理解生物膜耐药途径、宿主-纳米材料相互作用以及决定纳米复合材料行为的物理化学参数。在合成金属和金属氧化物纳米颗粒时，需要考虑其尺寸、形状、表面涂层、配体种类和电荷，因为这些参数决定了纳米颗粒产生的毒性水平。例如，纳米颗粒尺寸是影响纳米复合材料抗菌性能的关键因素之一。较小的纳米颗粒每单位质量暴露更多的反应表面，增加细菌膜接触、催化或氧化还原活性以及金属基纳米颗粒中抗菌离子的释放。尺寸小于50 nm的纳米颗粒已显示出增强的膜破坏和细胞内损伤。此外，小尺寸的金属和金属氧化物基纳米复合材料已被证明可加速离子释放、ROS产生和更高的生物膜扩散，而较大的颗粒（约100-200 nm）停留在生物膜表面，导致效力降低。另一方面，当纳米颗粒尺寸过小时，它们可能对人细胞产生更高的细胞毒性，小于10 nm时可能更快聚集，并产生不受控制的离子释放。因此，需要进一步研究以阐明生物膜对当前疗法的耐药机制，并为优化纳米复合材料系统的设计提供信息。

免疫原性：用于慢性伤口治疗的纳米复合材料，如银、金和氧化石墨烯基纳米复合材料，可能由于其高表面能和诱导巨噬细胞极化（从M1到M2）的能力而表现出免疫原性。虽然设计为生物相容性，但这些纳米材料可能诱导免疫反应，如果不受控制，可能阻碍而非帮助愈合。此外，基于纳米颗粒的系统由于增加了表面积与体积比以及与生物组分的相互作用而在体外和体内具有增强的反应性。这些相互作用可能导致不良反应，如超敏反应，具体取决于系统的物理化学性质。

4.2. 技术层面

制造与可重复性：纳米复合材料系统或纳米材料临床转化的另一个挑战是能够精确地扩大生产规模。在大体积下维持精确的形状、尺寸和均匀性很困难，导致批次间可重复性差。此外，扩大纳米材料规模的环境影响，包括增加的化学废物和能耗，也需要考虑。

4.3. 转化层面

评估纳米复合材料对慢性伤口中生物膜功效的一个主要障碍是许多研究仍停留在临床前水平，依赖于体外实验、离体伤口模型和小动物模型实验。因此，临床安全性、最佳剂量、监管途径、大规模制造可行性和长期结果尚未确定。本综述中大多数体内研究使用小鼠和大鼠，它们具有基本的生物学和转化局限性。啮齿动物皮肤主要通过快速伤口收缩愈合（由肉膜肌介导）；相比之下，人类伤口通过肉芽组织形成、再上皮化和细胞外基质重塑愈合。此外，人类慢性伤口源于复杂、多因素疾病，如血管功能不全、神经病变、糖尿病和衰老。对慢性伤口模型的综述一致得出结论，没有小动物模型能够捕捉人类慢性伤口的生化环境、慢性化、长期炎症、灌注受损或多种微生物特征，从而为先进疗法创造了转化差距。另一个主要局限性是缺乏经过验证的多种微生物生物膜动物模型来反映慢性伤口的微生物生态系统。大多数研究仅使用一种或两种细菌菌株，尽管有证据表明慢性伤口是多种微生物的，并且物种间的相互作用增加了细菌耐药性。因此，许多临床前发现不能直接假定转化为人类病理。为弥合这一差距，迫切需要开发准确复制人类伤口生物学的大型动物模型。猪皮肤在结构、免疫反应和愈合动力学上与人类皮肤高度相似，代表了建立慢性伤口和多种微生物生物膜模型的有希望平台，可以更好地支持纳米复合材料技术的临床转化。

4.4. 监管与商业层面

监管机构已开始关注纳米医学，但用于评估纳米复合材料伤口疗法的详细框架仍在演变中。此外，先前的动物研究和临床试验已确定验证纳米基系统具有挑战性；没有FDA或EMA制定的指南来验证其安全性和长期稳定性，使其难以建立毒性水平并系统性地理解其整体效果。商业可行性需要对纳米颗粒尺寸、分布、表面化学和基质整合进行严格质量控制，以及更易于临床医生接受的标准化表征方法。缺乏普遍接受的纳米复合材料伤口产品标准使跨研究比较、监管审查和医疗系统中的采购决策复杂化。

5. 未来展望

为更好地理解纳米复合材料系统在根除慢性伤口生物膜时的整体效果，应建立更稳健的指南来测试长期毒性稳定性、可重复性，特别是针对纳米材料。此外，实验设计应纳入分析以更好地理解根除生物膜和促进伤口愈合的作用机制，这将有助于理解纳米复合材料引起的长期毒性，从而促进靶向和提供个体化治疗的系统的发展。

6. 结论

本综述强调了生物膜如何作为慢性伤口内环境变化的先兆。研究人员探讨了如何设计纳米复合材料来对抗这些生物膜并支持伤口愈合。多模式纳米复合材料系统利用光热、光催化和群体感应抑制等效应来破坏生物膜、根除细菌并减少副作用。这些集成系统不仅更有效地克服细菌耐药性，还通过调节伤口微环境促进伤口愈合。通过利用不同模式的互补优势，协同纳米复合材料为复杂慢性伤口提供了优于任何单一模式方法的治疗效果。总之，多模式纳米复合材料可以作为替代方案来靶向抗生素耐药性的特定机制和生物膜形成的不同阶段。此外，鉴于其多功能特性，它们可以成为解决当前治疗局限性并创建具有协同效应的系统的有效工具，这些系统不仅破坏生物膜和根除细菌，还通过减少炎症、促进再上皮化、刺激血管生成和恢复细胞功能来同时促进伤口愈合。然而，为了进一步转化纳米复合材料系统用于治疗慢性伤口中的生物膜，科学家、临床医生和研究人员需要更好地合作并分享他们的结果，以创建一个跨学科研究联盟数据库，从而启用一个多层次的方法来解决生物膜性质的复杂性和患者的整体健康。