一种基于重组胶原蛋白的纳米复合水凝胶，用于感染伤口的全周期智能调控

《Biomaterials》：A Recombinant Collagen-Based Nanocomposite Hydrogel for Programmable Full-Cycle Intelligent Management of Infected Wounds

　　摘要：感染伤口的愈合是一个高度动态、多阶段的复杂过程，而现有的大多数创面敷料功能较为固定，无法适应不断变化的微观环境。本研究开发了一种纳米复合水凝胶，可实现对感染伤口的全周期智能调控。甲基丙烯酸酐接枝的重组胶原蛋白CF-1552作为大分子交联剂，解决了传统小分子交联剂存在的细胞毒性及交联失控问题。该交联剂与丙烯酰胺单体共聚，形成具有多种生物活性且机械性能可调控的蛋白-聚合物水凝胶网络，其中还包含有由姜黄素在多巴胺模板聚吡咯纳米线上自组装而成的电响应型纳米粒子。该水凝胶采用“双重传感-精准反馈-顺序释放”的闭环治疗机制：（i）在急性创伤期实现快速止血和伤口闭合；（ii）在向慢性易感状态转变过程中，细菌繁殖会导致局部环境碱化，从而触发内源性姜黄素释放，pH值变化可通过视觉监测为早期治疗调整提供依据；（iii）在炎症期，导电纳米线使水凝胶具有负温度系数（TCR= -1.49%°C-1），便于实时监测炎症情况并实现外源药物的可调控释放；（iv）在增殖和重塑阶段，胶原网络与电响应型控释系统协同作用，促进细胞迁移和血管生成。这一纳米技术平台能够实现对感染引发的整个伤口愈合过程的整合管理。

引言：皮肤是人体第一道防御屏障。若不及时处理皮肤损伤，细菌会附着在伤口表面，侵入深层组织，最终形成难以清除的顽固生物膜[1]，[2]，[3]。这一过程可能导致伤口感染、组织坏死、败血症等严重并发症。因此，感染伤口的愈合仍是临床实践中的重大挑战[4]，[5]，[6]。伤口愈合包括止血、炎症反应、细胞增殖和组织重塑四个相互关联且严格调控的阶段[7]，[8]。然而，现有大多数敷料的功能相对有限，通常仅能在伤口愈合的某个特定阶段发挥治疗效果，比如通过促进止血、药物干预缩短炎症期，或通过电刺激或光刺激促进细胞增殖和组织重塑[9]，[10]。这类静态且不可调控的治疗方式难以匹配伤口愈合过程中的动态复杂性。理想的敷料应能根据愈合阶段的需求释放特定的生物活性成分或执行不同功能。通过精准检测不同阶段的动态病理信号并相应调整治疗策略，此类敷料能够协调整个愈合进程，为彻底修复伤口提供有效途径[11]，[12]。

开放性伤口通常通过能够封闭伤口表面并促进凝血的敷料来处理[13]。止血后应立即启动强有力的抗菌措施，因为伤口感染会激活免疫系统并改变局部微环境[14]，[15]。在初始感染阶段，伤口的pH值会显著上升。通过实时监测这一参数并结合针对性早期干预，有望在早期有效控制感染，防止伤口状况进一步恶化。例如，钟等人引入红甘蓝提取物，使水凝胶具备pH值响应性的颜色变化功能。不同pH条件下的颜色变化与伤口愈合的不同阶段密切相关，可通过智能手机成像实现动态精准监测[16]。此外，为了获得更好的治疗效果，王等人加入了碳点，这些碳点使水凝胶在紫外线作用下具有高灵敏度和可逆的pH响应特性。通过智能手机拍摄的水凝胶图像可转化为伤口的pH值信号，从而便于实施光热消毒[17]。然而，这类响应往往具有单向性和阶段性特征，且无法实现伤口微环境的实时监测。因此，关键的病理信息可能无法及时获取，从而导致治疗延迟或过度治疗，增加不良反应和治疗成本。

感染引发的炎症反应常常伴随着局部温度升高。因此，若能在创面敷料中加入温度响应功能，便可实现感染的早期检测，并为及时调整治疗方案提供依据。不过，目前大多数热感应敷料仅能进行被动监测，缺乏基于实时生理反馈的主动精准干预能力[18]，[19]。杨等人开发了一种具有高导电性的双金属酚醛网络水凝胶，该水凝胶能够监测伤口处的电信号，从而帮助医生和患者实现智能化的伤口管理[20]。为了更精准地监测伤口状况，雷等人在水凝胶中加入了硼砂，使其具备离子传导性，进而可以监测渗出液量及伤口温度的变化[21]。然而，这些方法缺乏基于反馈的治疗功能，可能导致错过伤口愈合的最佳治疗时机。因此，有必要开发一种双模式智能敷料，将pH值触发的可视化功能与温度引导的精准调控功能相结合，从而实现药物输送与伤口病理状态之间的时空同步，提高治疗的精准度、效率以及性价比，避免药物滥用。

鉴于上述智能敷料的功能需求，水凝胶因其类似组织的机械性能、较高的含水量以及三维多孔结构，成为一种极具潜力的伤口管理材料[22]，[23]。水凝胶的制备通常需要使用合成聚合物或天然可生物降解材料。但这两类材料都存在明显局限：合成聚合物虽能实现持续监测和治疗功能，但其交联程度往往难以控制，导致机械性能不稳定且与皮肤的相容性较差；而天然可生物降解材料则受其降解性及较低机械强度的限制，难以实现持续稳定的监测功能[23]，[24]，[25]，[26]，[27]。为解决这一问题，研究人员设计了一种源自可可控修饰天然大分子的多功能交联剂，用于构建水凝胶网络。这一策略显著提升了水凝胶的机械强度，促进了快速凝胶化，并增加了活性位点的数量。该方法不仅克服了传统小分子交联剂（如戊二醛、环氧氯丙烷及某些胺类）的诸多缺陷，还能引入额外的活性功能位点。CF-1552是一种人源化重组胶原蛋白片段，由来自人类I型胶原蛋白的15个氨基酸序列（GAPGAPGSQGAPGLQ）重复52次构成。该序列不仅能增强细胞粘附和细胞间通讯，还具有更好的水溶性、更低的免疫原性、更高的生物相容性，还能激活体外凝血途径[28]，[29]，[30]，[31]，因此是解决上述问题并有效促进伤口愈合的理想分子候选物。

在传感功能的材料实现方面，人们已探索多种导电材料用于制备温度感应水凝胶，包括离子导体（如氯化钠、离子液体）、金属基纳米材料（如金纳米粒子、银纳米线）以及导电聚合物（如聚(3,4-乙炔二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐、聚吡咯）[32]，[33]。然而，要开发出兼具高导电性、优异机械性能和长期稳定性的导电材料，仍面临诸多挑战。通过调节单体浓度、聚合时间以及电解质浓度等参数，可将纳米粒子可控地转化为排列整齐的纳米线结构。这类结构不仅能增强量子效应并增大比表面积，还能提供高导电性及连续的电子传输路径，显著降低界面电阻[34]，[35]。纳米线构成的互连网络可实现快速的轴向电子传输，使其成为理想的温度监测材料。总体而言，开发能够集成实时监测反馈功能、在所有愈合阶段均具备级联治疗功能，同时通过优化材料组合来解决机械稳定性及多功能性需求的智能水凝胶敷料，是伤口修复领域一个重要且富有前景的研究方向。

本研究设计并制备了一种具有微环境响应能力、能根据不同愈合阶段调整功能的多功能集成创面敷料——PCMA/PDY-CUR纳米复合水凝胶，该敷料可实现从紧急止血到组织重塑的全流程精准管理。该水凝胶网络的构建无需依赖有毒的小分子交联剂，而是以甲基丙烯酸酐接枝的CF-1552作为大分子交联剂参与共聚，从而形成了具有多种生物活性且机械性能可调控的蛋白-聚合物复合水凝胶。该系统包含有通过多巴胺自组装形成的一维软模板，这些模板从空间和化学角度引导吡咯单体的定向聚合形成纳米线，同时还包含有由姜黄素自组装而成的电响应型纳米粒子。此外，通过加入酚红作为指示剂，该系统实现了对感染伤口的精准闭环治疗，其机制为“双重传感-精准反馈-触发顺序释放”。具体工作原理如下：（i）在急性创伤期，可实现快速止血和伤口闭合；（ii）在向慢性易感状态转变过程中，细菌繁殖会导致局部环境碱化，从而触发内源性姜黄素释放，pH值变化可通过视觉监测为早期治疗调整提供依据；（iii）在炎症期，导电纳米线使水凝胶具有温度系数，便于实时监测炎症情况，并实现外源药物释放的可调控调节；（iv）在增殖和重塑阶段，胶原网络与电响应型控释系统协同作用，促进细胞迁移和血管生成。最终，该系统可实现智能化的、适应性强的抗菌和抗炎治疗，为开发可用于按需精准管理感染伤口的多功能纳米治疗平台提供了新思路（见图1）。

片段内容：PDY-CUR纳米线的设计与合成：PDY纳米线最初是通过多巴胺的自组装形成的二维软模板，多巴胺凭借其氧化还原和掺杂功能，从空间和化学角度引导吡咯单体的定向聚合。从图1a可以看出，多巴胺含量越高，纳米线的排列就越规则，长度也更加均匀。当多巴胺与吡咯的比例为5:1时，所形成的纳米线性能最佳。

结论：本研究成功开发了一种PCMA/PDY-CUR纳米复合水凝胶系统，该系统集成了双重pH/温度监测、实时反馈以及顺序药物释放功能，为感染伤口的全周期智能管理提供了一种创新方案。通过使用双键修饰的重组胶原蛋白作为生物相容性大分子交联剂，该系统克服了传统小分子交联剂存在的毒性及交联失控问题。

材料与方法：关于纳米粒子及微针的制备和表征的详细步骤详见补充信息。

动物伦理声明：所有动物实验均按照西北大学动物伦理委员会批准的指南进行（批准号：NWU-AWC-20240726R）。

统计分析：所有实验至少进行三次独立重复，所有实验条件均进行了分析。数据以平均值±标准差的形式呈现。

利益冲突声明：作者声明在本研究中不存在任何已知的利益冲突。

CRediT作者贡献说明：朱晨辉：研究工作；王鹏：研究工作；张世通：研究工作；杨贵书：研究工作；刘彦楠：写作——审阅与编辑、指导、研究工作、资金获取；李颖春：写作——审阅与编辑、指导、资金获取；马晓轩：研究工作；丁亚荣：研究工作；徐阳：研究工作；范代迪：资金获取；李玉峰：写作——初稿撰写、软件应用、方法设计、研究工作、正式分析、数据整理。贾……

数据可用性声明：本研究的相关数据可在合理请求下向对应作者获取。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金重点研发计划（2025YFA0922400）、国家自然科学基金（22308268、22478318）以及陕西省科学技术协会青年人才基金（20240625）的资助。

李玉峰|王佳|丁亚荣|徐阳|张世通|杨贵书|朱晨辉|王鹏|马晓轩|刘彦楠|李颖春|范代迪
中国陕西省西安市西北大学化学工程学院，西部资源创新医学绿色制造工程研究中心，邮编710069