综述：纳米材料功能化多糖基生物材料作为组织工程抗菌剂的研究新进展

《ACS Biomaterials Science & Engineering》：Emerging trends in nanomaterial-functionalized polysaccharide based biomaterials as antibacterial agents in tissue engineering

　　

组织工程在受损组织及器官修复再生领域展现出巨大潜力。天然多糖基材料因来源广泛、生物相容性优异且可模拟细胞外基质（ECM），已成为该领域的核心研究对象。当前研究热点聚焦于赋予材料抗菌活性，以控制再生部位及移植过程中的微生物污染。天然多糖不仅具备固有抗菌特性，其丰富的官能团还可实现改性修饰及抗菌剂负载，将抗菌纳米颗粒（NPs）与多糖结合是应对感染风险、改善术后疗效的创新策略，可显著提升临床成功率。这种协同作用不仅能增强抗菌效能，还可促进组织修复再生，为开发面向多元组织工程应用的抗菌纳米复合材料奠定基础。此类材料因多重协同效应与优异性能，在生物医学领域备受关注。本综述深入探讨了天然多糖与纳米颗粒的关键协同抗菌机制，并系统梳理了其在口腔组织工程、皮肤创面愈合及骨组织修复等领域的最新研究进展。面对细菌感染率的急剧攀升，亟需开发具有高临床效率的先进策略以改善患者预后，本综述旨在挖掘具备抗细菌感染潜力的纳米复合材料，为感染性疾病防控提供新思路。

1. 1.
   引言
   组织工程作为多学科交叉领域，融合医学生物学、材料科学与工程学，致力于实现组织器官功能的替代、修复与增强。全球范围内，由医院感染、植入器械、组织修复及手术部位引发的细菌感染导致死亡率与发病率持续上升，加之多重耐药微生物的威胁，开发抗菌材料已成为当务之急。植入生物材料与支架后，细菌感染与植入失败的风险显著升高。流行病学数据显示，细菌感染与抗菌药物耐药性每年导致超100万人死亡，若不采取有效干预，2050年相关死亡人数可能突破1000万，超过其他所有死因，这一“无声大流行”给个人、家庭及医疗系统带来了沉重的社会经济负担，可引发血流感染、胃肠道感染、肺炎及手术部位感染等严重不良反应。尽管现有抗生素具有一定疗效，但存在剂量需求高、溶解度差、潜在全身毒性及临床效率有限等缺陷，易导致多重耐药病原体产生。抗菌剂通过抑菌或杀菌机制发挥作用，但抗生素的过度与不当使用是耐药性蔓延的核心诱因，对免疫功能低下人群构成重大健康威胁。因此，安全有效地控制细菌感染是实现成功组织再生的关键。细菌可在植入物表面黏附并形成生物膜，逃避机体免疫清除，显著增加治疗难度，故需在感染初期进行干预，抗菌生物材料的制备因此成为研究重点。
   天然多糖因来源广泛、可再生且为生命基本组成单元，其生物相容性与固有抗菌特性使其成为抗生素的理想替代品。多糖可通过涂层、药物载体、支架及敷料等形式应用于植入物、医疗器械及各类生物医学场景。然而，单一多糖的长效多功能抗菌效应不足，引入抗菌纳米颗粒可有效克服这一局限，延长抗菌时效并拓宽应用范围。纳米颗粒凭借固有抗菌特性，可实现长期感染防控。天然多糖与纳米颗粒复合形成的纳米复合材料，为病原菌防控提供了精准高效的解决方案。明确革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的细胞壁结构差异，是理解抗菌机制的基础：革兰氏阳性菌细胞壁肽聚糖层厚，含磷壁酸但无外膜；革兰氏阴性菌肽聚糖层薄，外膜含脂多糖，其负电荷特性增强了细菌存活能力。本综述系统阐述了多糖-纳米颗粒复合材料的协同抗菌机制，及其在口腔、皮肤、骨组织再生中的应用，为组织修复与抗感染材料的选择提供理论依据。

1.1. 抗菌天然多糖

天然多糖是由相同或不同类型单糖通过O-糖苷键连接而成的生物大分子，具备抗氧化、抗肿瘤、抗菌、抗凝、降糖及免疫调节等多重生物学功能。其理化性质多样，可模拟ECM，调控细胞增殖、分化与黏附，且生物相容性与降解性能优异，适用于体外功能性组织构建与体内植入整合。根据来源可分为植物源（纤维素、淀粉、果胶、瓜尔胶）、动物源（透明质酸、肝素、甲壳素、壳聚糖、硫酸软骨素、糖原）、微生物源（葡聚糖、黄原胶、葡萄糖醛酸聚糖、普鲁兰多糖）及藻类源（藻酸盐、琼脂、琼脂糖、卡拉胶）。羟基、羧基、氨基等官能团的存在，使得羧甲基化、氧化、酯化、硫酸化、磷酸化、接枝聚合及纳米颗粒负载等改性手段可精准调控其理化与生物学性能。多糖的抗菌机制主要包括破坏细菌细胞膜、干扰代谢过程、抑制蛋白质合成与营养吸收，以及阻断生物膜形成。值得注意的是，65%的感染性疾病与生物膜相关，生物膜内细菌对抗生素及宿主免疫的耐受性提升1000倍，而部分植入相关多糖可能反而被细菌利用于生物膜构建，阻碍组织修复。

1.1.1. 植物源多糖

果胶、纤维素、淀粉等植物多糖自身抗菌活性较弱，其抗菌效能受单糖组成、分子量及提取方法影响。通过磷酸化、硫酸化及抗菌剂/纳米颗粒复合改性，可显著提升其抗菌性能，进而制备高效抗菌薄膜、涂层及水凝胶，应用于创面护理、药物递送及感染易发部位的生物膜防控。果胶是一种阴离子分支杂多糖，提取自果蔬皮，由α-(1,4)-D-半乳糖醛酸及半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、木糖等中性糖组成，兼具亲水性、乳化性及凝胶特性，在创面愈合、3D生物打印及肿瘤治疗中应用广泛。纤维素作为线性同多糖，以β-1,4-糖苷键连接，具备优异的湿度调节能力，其水凝胶经化学改性后可增强抗菌活性，适用于多种组织工程场景。淀粉由直链 amylose 与支链 amylopectin 组成，虽无固有抗菌性，但经改性或负载抗菌剂后可制备智能水凝胶，服务于多元生物医学需求。

1.1.2. 动物源多糖

壳聚糖是甲壳素脱乙酰化的亲水性生物聚合物，由D-氨基葡萄糖与β-乙酰-D-氨基葡萄糖组成，通过带正电的氨基与带负电的细菌细胞膜发生静电相互作用，破坏膜完整性，抑制mRNA与蛋白质合成，导致胞内物质泄漏与细胞死亡，对革兰氏阳性与阴性菌均具广谱抗菌活性，已应用于慢性创面、烧伤及糖尿病溃疡治疗，并作为骨科、牙科植入物涂层及导管、支架表面改性材料。硫酸软骨素（CS）经软骨化学与酶解消化获得，为含N-乙酰半乳糖胺与葡萄糖醛酸的硫酸化糖胺聚糖，兼具抗菌与巨噬细胞调控活性，可预防创面感染与炎症。透明质酸（HA）主要存在于滑液、结缔组织及皮肤中，由D-葡萄糖醛酸与N-乙酰-D-氨基葡萄糖构成，其抑菌机制主要为抑制细菌表面黏附，常作为植入物涂层材料，与抗菌剂复合后广泛应用于创面凝胶、隐形眼镜、骨支架及牙周膜制备。

1.1.3. 微生物源多糖

微生物胞外多糖（EPS）中，葡聚糖由乳酸杆菌属、明串珠菌属及链球菌属等发酵产生，以α-1,6-连接的D-吡喃葡萄糖基单元为主，自身无抗菌活性，但通过烷基化、铵基化等化学修饰可显著提升抗菌与抗生物膜能力。细菌纤维素（BC）由根瘤菌属、假单胞菌属及 Komagataeibacter hansenii 等合成，为β-1,4-糖苷键连接的D-葡萄糖线性同多糖，结晶度高、比表面积大，虽无固有抗菌性，但其丰富的羟基便于功能化修饰，可作为药物与纳米颗粒载体，延长抗菌时效，广泛应用于创面敷料与组织支架。黄原胶由甘蓝黑腐病菌发酵产生，线性主链为1-4连接的β-D-葡萄糖，侧链三糖单元包含葡萄糖醛酸与甘露糖，高黏度特性可减少细菌定植，经稳定化处理后抗菌效果进一步增强。

1.1.4. 藻类源多糖

藻酸盐是从褐藻中提取的阴离子多糖，由β-(1,4)-连接的D-甘露糖醛酸（M）与α-(1,4)-连接的L-古洛糖醛酸（G）组成，可通过氯化钙交联，具备优异的生物降解性，适用于3D生物打印、创面敷料及药物递送。其固有抗菌活性中等，经化学改性（尤其是纳米颗粒复合）后，可通过破坏细胞膜与产生活性氧（ROS）实现长效可控抗菌。卡拉胶源于红藻，由硫酸化半乳糖单元交替连接而成，水溶液黏度大，具备黏膜黏附特性，其水凝胶因良好的愈合与抗菌活性，在软硬组织再生中应用前景广阔。琼脂糖同为红藻来源的线性多糖，抗微生物降解能力强，结构与ECM相似，可促进细胞增殖与分化，是皮肤、软骨组织工程支架及药物递送系统的理想材料，虽无固有抗菌性，但经官能团改性后可显著提升黏附性、pH响应性及抗菌活性。

1.2. 抗菌纳米颗粒

传统有机抗生素存在人体毒性问题，无机纳米颗粒因其局部杀菌效率高、组织毒性低，成为组织工程抗菌剂的研究热点。纳米颗粒功能化不仅赋予材料抗菌效能，还可提升细胞增殖能力、组织再生效率，并调控力学强度、热稳定性及结构完整性。纳米颗粒粒径通常为1-100 nm，按组成可分为金属基（银、金、铜、铁）、金属氧化物基（氧化锌、氧化铜、氧化银）、碳基及脂质基纳米颗粒。其高比表面积为多重生物医学应用奠定了基础，尤其在组织再生中可同时实现促修复与抗感染的双重功效。

1.2.1. 金属基纳米颗粒

银纳米颗粒（AgNPs）对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌及多重耐药菌株均具优异抗菌活性，可通过破坏细胞膜完整性、与含硫蛋白结合、改变膜通透性诱导细胞死亡，释放的银离子还可干扰细胞代谢通路。氧化银纳米颗粒（Ag₂O NPs）可抑制53种微生物生长，杀菌谱广。铜及氧化铜纳米颗粒通过释放铜离子诱导ROS生成，干扰核酸与蛋白质功能，抑制关键酶活性，其快速溶出特性降低了细菌耐药风险，已应用于牙科材料涂层及血管生成促进。锌及氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）通过氧化应激与膜损伤发挥抗菌作用，Zn²⁺与带负电的细菌膜静电结合导致膜破裂，在软硬组织工程中应用广泛。氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）可破坏微生物代谢过程与细胞壁，兼具成骨活性与抗菌功能，且可被机体代谢降解。氧化铁纳米颗粒（如Fe₂O₃、Fe₃O₄）通过静电作用破坏膜完整性、诱导ROS生成损伤DNA，已应用于心血管组织工程及干细胞示踪。二氧化钛纳米颗粒（TiO₂ NPs）光催化活性优异，可通过ROS生成杀灭微生物，生物惰性使其对哺乳动物细胞毒性较低，适用于创面愈合。

1.2.2. 碳基纳米颗粒

碳基纳米颗粒包括富勒烯、碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）及碳量子点等，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌及多重耐药菌具广谱抗菌活性。碳纳米管通过直接接触破坏细胞壁完整性，其高比表面积可高效穿透细胞壁，促进成骨细胞活性、血管生成及神经轴突生长，适用于骨支架与神经修复。氧化石墨烯与还原氧化石墨烯凭借纳米级尖锐边缘可物理穿刺细菌膜，包裹细胞并诱导ROS生成，损伤DNA与蛋白质，其导电性与抗菌特性使其在创面愈合、心血管及神经组织工程中应用广泛。富勒烯衍生物可通过阳离子作用损伤细菌呼吸链与能量代谢，作为光敏剂在光动力疗法中实现靶向抗菌。碳基纳米颗粒的光热效应可进一步增强靶向抗菌活性，服务于软骨、骨、神经、创面及心血管组织的再生需求。

1.2.3. 脂质基纳米颗粒

脂质基纳米颗粒（LNPs）作为纳米载体，可特异性靶向生物膜、细菌及感染部位，负载抗菌剂或药物实现控释。其组成包括磷脂、胆固醇、阳离子/可电离脂质及聚乙二醇修饰脂质，分为纳米乳液、脂质体、纳米结构脂质载体、固体脂质纳米颗粒及脂质聚合物杂化纳米颗粒。阳离子脂质纳米颗粒通过静电作用破坏细菌细胞膜，在创面愈合中兼具抗菌、促药物渗透及加速组织修复的功能，可保护药物免受降解，实现长效有效浓度释放，渗透生物膜以减少微生物耐药，已应用于脑、肺、皮肤、胃肠道及骨组织感染的治疗。

1.3. 天然多糖与纳米颗粒的协同抗菌效应

多糖-纳米颗粒复合材料不仅可增强抗菌效能，还能改善组织修复再生能力、生物相容性、理化性能及纳米颗粒的控释行为，实现对细菌细胞与代谢过程的长效干预。复合材料中纳米颗粒在聚合物基质中均匀分布，提升了材料稳定性，其制备策略包括氢键、疏水作用、库仑力、离子与静电结合等物理分散法，以及薄膜浸涂、共沉淀、静电纺丝、胶体组装、原位合成、共价/非共价表面改性及自下而上自组装等，可加工为水凝胶、支架、载体、传感器及涂层材料。

1.3.1. 抗菌多糖的作用机制

多糖的抗菌效能取决于分子量、pH敏感性、电荷密度、金属离子存在及化学改性程度。其核心机制包括：破坏细菌细胞壁结构，改变膜通透性与形态，导致胞内物质泄漏；干扰细胞膜功能，破坏渗透压平衡与营养转运，诱导细胞凋亡；靶向细菌必需组分（膜蛋白、DNA、酶、电子传递链蛋白），提升ROS水平；抑制核酸合成，阻断DNA转录与RNA翻译，减少蛋白质与遗传物质生成；抑制生物膜形成，阻断细菌黏附与增殖；抑制外排泵功能，增强细菌对抗菌剂的敏感性；螯合铁离子等必需营养素，干扰磷脂代谢、糖酵解及糖异生等关键代谢通路。

1.3.2. 抗菌纳米颗粒的作用机制

纳米颗粒的抗菌效应受其表面化学性质、电荷、制备方法、粒径、浓度及细菌种类影响。主要机制包括：物理破坏细胞壁与膜结构，高比表面积增强抗菌活性；金属及金属氧化物纳米颗粒释放的金属离子与带负电的细菌膜静电结合，改变膜通透性导致胞质泄漏与细胞裂解，粒径小于10 nm的颗粒可直接进入细胞破坏膜完整性；诱导ROS生成与氧化应激，通过脂质过氧化损伤脂质双分子层，自由基不可逆损伤DNA与蛋白质；金属离子与蛋白质、脂质、DNA的巯基、羧基、磷酸基及氨基相互作用，干扰复制、转录与翻译过程，导致蛋白质变性、酶失活、电子传递链受阻及ATP水平下降；抑制群体感应，阻断毒力因子生成与细胞间通讯，破坏生物膜结构；与抗生素联用可提升药物递送效率，降低全身毒性，减少耐药风险。多糖的引入可改善纳米颗粒的非特异性毒性，增强其靶向性，同时提升复合材料的结构完整性与生物降解性，多模式协同作用显著降低细菌耐药概率。

1. 2.
   抗菌纳米复合材料在各组织工程应用中的进展
   本部分系统总结了多糖-纳米颗粒复合材料在口腔、皮肤及骨组织再生中的协同抗菌与促修复效应，为抗菌组织再生材料的选择提供依据。

2.1. 口腔组织再生

口腔环境复杂，包含牙齿、牙龈、牙周组织、上颌骨与下颌骨，易受变异链球菌（Streptococcus mutans）、牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）、具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）等病原菌侵袭，引发龋病、牙髓炎、牙周炎及颌骨异常。传统抗菌治疗难以彻底根除病原菌且不损伤健康组织，长期全身用药易诱导耐药。锌掺杂壳聚糖水凝胶（ZnONC-CS）对变异链球菌的最小抑菌浓度（MIC）为78.1 μg/ml，可显著降低生物膜形成与细菌代谢活性，为微创龋病防治提供新策略。载抗菌肽P-113与锶离子的可注射硅酸钠纳米复合水凝胶，可同步抑制粪肠球菌与变异链球菌生长，优化牙髓干细胞增殖微环境。壳聚糖基水凝胶（CS-PA/CNP）通过持续释放姜黄素纳米颗粒，对伴放线聚集杆菌、粪肠球菌、具核梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌及变异链球菌具广谱抗菌活性，可降低小鼠牙龈炎症，逆转牙槽骨吸收，并缓解牙周炎相关高血压。Pluronic F127/甲基丙烯酸化透明质酸复合介孔聚多巴胺纳米颗粒（PH/M@S）水凝胶在近红外（NIR）照射下，可显著降低大鼠牙周袋细菌负荷、局部炎症及骨吸收。壳聚糖包覆硫化铜纳米颗粒复合GelMA水凝胶（CuSNP@CS-MA）可完全杀灭金黄色葡萄球菌，并促进M2型巨噬细胞极化，发挥抗炎效应。pH敏感多交联水凝胶（A/CQ-ML@Gel）通过银纳米颗粒与壳聚糖的协同作用破坏牙龈卟啉单胞菌膜结构，激活线粒体自噬以重编程M1/M2巨噬细胞。碳纳米管-壳聚糖-藻酸盐3D打印支架可改变牙龈卟啉单胞菌形态，随碳纳米管浓度升高逐步提升抑菌率。表面活性素与Herbmedotcin负载的κ-卡拉胶寡糖-纤维素纳米纤维水凝胶（CCH）通过提升丙二醛水平诱导脂质氧化损伤，对多种牙周病原菌具广谱抗菌活性。载铜甲基丙烯酸化羧甲基壳聚糖-丝素蛋白水凝胶（CF-Cu）通过破坏蛋白质与DNA合成、瓦解细胞膜及提升ROS水平，抑制金黄色葡萄球菌、变异链球菌与牙龈卟啉单胞菌，可作为引导骨再生（GBR）膜的替代材料。掺杂立方氧化亚铜与聚多巴胺包覆二氧化钛纳米颗粒的藻酸盐水凝胶（CTP-SA）在蓝光照射下具广谱抗菌能力，可减少大鼠牙槽骨缺损区菌落数，降低CD68与TNF-α表达，促进成骨。Janus型藻酸盐-纳米羟基磷灰石-羧甲基壳聚糖复合水凝胶（CAH）加载甲硝唑后，可快速杀灭变异链球菌与牙龈卟啉单胞菌，减少局部炎症，阻隔成纤维细胞浸润，支持骨再生。

2.2. 皮肤与创面修复

皮肤作为人体最大器官，其屏障功能受损可导致急性或慢性创面，愈合过程分为止血期、炎症期、增殖期与重塑期。多糖基复合水凝胶因生物相容性优异、可调控理化性能，成为创面敷料的研究热点。羧甲基纤维素-季铵化壳聚糖复合聚多巴胺@姜黄素-硫化铜纳米颗粒（CuS@C）水凝胶，在808 nm NIR照射下10分钟内即可杀灭金黄色葡萄球菌与大肠杆菌，升温至45.5℃，大鼠创面模型显示其可加速胶原纤维形成，7天内实现无瘢痕愈合。酚红修饰聚赖氨酸-羧甲基壳聚糖-氧化硫酸软骨素复合无限配位聚合物纳米药物（OCEN）水凝胶，对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌的杀灭率达100%，其组织黏附性强，可保护创面免受外界刺激，通过释放原花青素、盐酸小檗碱及硒纳米颗粒，清除自由基，促进表皮细胞生长，加速糖尿病创面愈合。海藻酸钠-壳寡糖-氧化锌（SA-COS-ZnO）复合水凝胶中，ZnO纳米颗粒通过静电作用提升力学强度与水 retention 能力，Zn²⁺的持续释放赋予其广谱抗菌与抗真菌活性，大鼠烫伤模型证实其可加速创面再上皮化。琼脂糖-单宁酸铁（TA-Fe）纳米复合水凝胶经NIR照射后，对金黄色葡萄球菌的杀灭率达99%，小鼠感染创面模型显示其可促进结痂形成，实现无瘢痕愈合。

2.3. 骨组织再生

临界尺寸骨缺损无法自行再生，需植入生物材料提供力学支持并诱导成骨。细菌感染（尤其是金黄色葡萄球菌）可诱导慢性炎症，阻碍成骨过程，导致植入失败与骨髓炎。壳聚糖-银纳米颗粒（AgNPs）复合水凝胶通过膜破坏与ROS通路激活发挥抗菌作用，同时促进成骨细胞增殖与碱性磷酸酶活性，提升矿化能力。甲基丙烯酰化壳聚糖-羟基磷灰石（N-MAC/HA）可注射水凝胶经紫外光交联后，可填充不规则缺损，10-60 μm微孔结构利于细胞浸润，兔颅顶缺损模型证实其可显著促进新骨形成。藻酸盐-AgNPs复合水凝胶可利用感染部位酸性微环境靶向释放银离子，pH响应性调控抗菌与成骨进程。载铜沸石咪唑酯骨架-8-羟基磷灰石（Cu–ZIF-8-HA）水凝胶可长效抗菌，并通过血管内皮生长因子（VEGF）促进血管生成。印楝提取物合成的卡拉胶-银纳米颗粒复合水凝胶兼具无毒抗菌与成骨诱导活性。氧化石墨烯-壳聚糖复合材料可破坏细菌生物膜，促进间充质干细胞成骨分化。聚乳酸-聚己内酯-羟基磷灰石（PLA-PCL-HA）支架加载氧化锌纳米颗粒与石墨烯纳米片，力学性能与松质骨匹配，对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌的抑菌率达99%，并促进成骨细胞黏附与矿化。氧化石墨烯-纳米羟基磷灰石-细菌纤维素-β-葡聚糖（GO/n-HAp/BC/β-G）多孔支架孔隙率为127-357 μm，压缩强度优异，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌与铜绿假单胞菌具显著抑制作用，MC3T3-E1前成骨细胞在其表面黏附、增殖与活性良好。此外，锶掺杂生物玻璃-壳聚糖水凝胶、载万古霉素与骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的羧甲基纤维素水凝胶、铜@沸石咪唑酯骨架-8复合透明质酸可注射水凝胶等，均实现了抗菌与成骨的双重调控。离子（Cu²⁺、Zn²⁺）介导的M2型巨噬细胞极化、抗炎因子分泌及血管生成，进一步强化了骨再生微环境。智能响应型水凝胶可实现治疗药物的时空控释，降低全身毒性，绿色合成策略（如印楝提取物介导纳米制备）则为材料可持续开发提供了新思路。

1. 3.
   总结与展望
   天然多糖与纳米颗粒复合的抗菌纳米复合材料，通过协同效应实现了感染控制与组织修复的统一，是组织工程领域的变革性平台。天然多糖的生物相容性、ECM模拟能力及固有抗菌活性，与纳米颗粒的多重理化特性相结合，赋予了材料抗菌、力学稳定、促细胞增殖、靶向给药等多元功能。然而，该类材料的临床转化仍需大量体内研究与临床试验验证，重点关注纳米颗粒的长期生物相容性与细胞毒性，建立标准化制备工艺，完善监管审批流程。未来研究应聚焦于材料的可规模化生产与可持续性开发，探索3D生物打印定制化构建体及刺激响应型智能递送系统，实现纳米颗粒剂量、释放速率与作用时长的精准调控，平衡抗菌效能与组织再生需求，最终改善患者预后，推动再生医学的临床应用。