掺有卟啉-三氧化锰的壳聚糖水凝胶，可通过自我供氧增强光动力疗法效果，从而实现感染伤口的抗菌与抗炎作用

《International Journal of Biological Macromolecules》：Porphyrin?manganese trioxide-doped chitosan hydrogel with self?oxygen supply enhancing photodynamic therapy effect for antibacterial and anti-inflammatory of infected wounds

　　

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  研究人员开发出一种可降解的混合水凝胶，可用于无需抗生素的抗菌及抗炎治疗，以处理感染伤口。
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  具有SOD/CAT类似活性的Mn?O?能够为TAPP介导的光动力疗法提供氧气，进而产生¹O?，从而实现更有效的抗菌效果。
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  该混合水凝胶可清除活性氧，减轻炎症，缓解缺氧，并在伤口愈合过程中促进血管生成。

引言

细菌感染及其引发的炎症反应严重阻碍了伤口愈合进程，给全球医疗体系带来了巨大负担[1]。而耐抗生素细菌的不断出现更是加剧了这一问题，因此亟需开发新的非抗生素类抗菌策略[2]。光动力疗法作为一种有效的替代方案，通过光敏剂在光照作用下将环境中的氧气转化为具有细胞毒性的活性氧，从而对细菌膜和生物膜造成不可逆损伤，且不易引发耐药性[3]、[4]。然而，光动力疗法的实际应用却受到一个关键因素的制约——其治疗效果高度依赖氧气，而感染伤口的微环境本身就处于缺氧状态。此外，光动力疗法在照射过程中会消耗大量氧气，进一步加重局部缺氧状况。这不仅限制了疗法的效果，还会加剧炎症反应并阻碍组织再生，形成恶性循环[5]。

纳米酶是一种具有酶样催化活性的纳米材料，能够解决光动力疗法治疗中存在的诸多问题[6]、[7]。在各类酶样活性中，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶类似活性尤其重要，它们能够有效调控伤口的病理微环境。超氧化物歧化酶类似活性可将O?^?·分解为H₂O₂和O₂，而过氧化氢酶类似活性则能进一步将H₂O₂分解为无害的H₂O和O₂。这种级联催化反应不仅能清除有害活性氧，消除感染伤口处的氧化应激，还能在病灶处产生氧气，缓解缺氧状况[8]。近年来，研究人员基于氧化铈、锰基化合物以及金属有机框架，开发出了多种SOD/CAT纳米酶，通过将活性氧转化为氧气来调控伤口的病理微环境[9]、[10]。不过，这类纳米酶通常缺乏光动力疗法所具有的即时抗菌能力。因此，将光动力疗法的杀菌能力与纳米酶的微环境调控功能相结合显得十分必要，但由于无机纳米酶在水中的溶解度较差、光敏剂容易自熄，以及在生理环境中的稳定性不足或催化效率较低，这一设计依然面临诸多挑战[11]。为解决这些问题，研究人员将无机金属纳米酶与生物相容性良好的有机纳米载体结合，制备出了具有高生物安全性的纳米酶，用于伤口治疗[12]、[13]。

壳聚糖是一种从海洋生物中提取的碳水化合物聚合物，因其独特的生物相容性、可酶解特性以及抗菌功效，而被广泛用作生物医学领域的材料[14]。基于壳聚糖的纳米水凝胶具有良好的生物安全性，同时还能负载多种纳米材料或抗菌药物，从而实现协同治疗和药物缓释的效果[15]、[16]。此外，这类水凝胶还具有多孔结构和高孔隙率的特点，既能吸收伤口组织的分泌物，又能促进氧气在伤口处的输送，有助于消除炎症并加速伤口愈合[17]、[18]。

本研究成功制备了一种新型的自供氧型光动力疗法增强型抗炎纳米水凝胶TAPP/Mn?O?@CS-GA，该材料具有良好的生物相容性，且在治疗感染伤口方面具有广阔的应用前景（图1由BioGOD工具绘制[19]）。在该体系中，光敏剂TAPP以及具有SOD和CAT类似活性的Mn?O?被负载在CS-GA水凝胶中。TAPP在激光照射下能够产生大量¹O?，用于杀菌。而Mn?O?的SOD和CAT类似活性则可将O?^?·和H₂O₂分解，产生足够的氧气，为光动力疗法提供反应介质，进而增强其治疗效果。激光照射后，这些酶类活性还能将活性氧转化为氧气，从而消除由氧化应激引起的炎症，缓解缺氧状况，并促进血管生成。TAPP/Mn?O?@CS-GA水凝胶通过兼具抗菌和抗炎作用，能够加速伤口愈合。

章节要点

材料

低粘度壳聚糖（粘度低于200 mPa·s，脱乙酰度超过80%，产品编号：01693778，批次号：E1704067）、戊二醛、四水合醋酸锰、油胺、油酸均购自上海阿拉丁试剂有限公司；四水合醋酸锰、油酸、油胺、1-十八烯、壳聚糖、冰醋酸、戊二醛、无水乙醇和甲醇则购自安徽安特食品有限公司。1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）也用于实验中。

TAPP/Mn?O?@CS-GA水凝胶的制备与表征

作为原料，壳聚糖的脱乙酰度是衡量其质量的关键参数。本研究通过滴定法测定了所用壳聚糖的脱乙酰度，结果显示其为94.16%。TAPP/Mn?O?@CS-GA水凝胶的制备过程较为简单：首先，通过油胺和油酸的反应体系制备出具有SOD和CAT类似酶活性的Mn?O?；与此同时，CS-GA水凝胶也同步被制备出来。

结论

综上所述，我们成功研制出一种新型复合型抗菌抗炎纳米凝胶TAPP/Mn?O?@CS-GA，该材料具有良好的生物相容性，且在治疗感染伤口方面具有较大应用潜力。该水凝胶既能产生足够量的活性氧来杀灭细菌，又能通过自身的SOD和CAT活性产生充足氧气，为光动力疗法提供反应介质，进而提升疗法效果。在伤口恢复过程中，这些酶类活性会持续清除活性氧，进一步促进伤口愈合。

作者贡献说明

徐宁宁：论文撰写——初稿、方法学、实验研究。刘宇：方法学、实验研究。余淑玲：论文撰写——审稿与编辑、初稿撰写、课题指导、资金申请。郑岩：软件使用、实验资源提供。张毅：软件使用、数据统计分析。赵双：软件使用、实验资源提供。陈亮：软件使用、资金申请、数据统计分析。史佳华：实验验证、方法学、实验研究。袁金涛：论文撰写——审稿与编辑、课题指导。

利益冲突声明

所有作者均声明，不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联。

致谢

本研究得到了河南省科学技术发展计划（项目编号：252102311196、242102311055）以及河南省教育厅科技研究重点项目（项目编号：25A310011）的支持。

徐宁宁|刘宇|余淑玲|郑岩|张毅|赵双|陈亮|史佳华|袁金涛