《Smart Molecules》：Hydrogen-bond-mediated retention of a phenolic SNAP analogue in polyvinyl alcohol/PEG hydrogels for sustained nitric oxide release and antibacterial activity
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一氧化氮（NO）释放材料因其在多种生物医学应用中的潜力而备受关注。然而，一个长期存在的挑战是NO供体从这些材料中泄漏，这导致NO释放持续时间显著缩短并产生不利的爆发释放效应。在此，研究人员展示了一种新型氢键策略来解决NO供体泄漏和NO爆发释放的问题。研究人员通
一氧化氮（NO）释放材料因其在多种生物医学应用中的潜力而备受关注。然而，一个长期存在的挑战是NO供体从这些材料中泄漏，这导致NO释放持续时间显著缩短并产生不利的爆发释放效应。在此，研究人员展示了一种新型氢键策略来解决NO供体泄漏和NO爆发释放的问题。研究人员通过将带有4-羟苯乙基侧链的SNAP类似物掺入聚乙烯醇（PVA）/PEG水凝胶中，开发了一种基于亚硝硫醇的NO水凝胶。含有结构修饰SNAP类似物的水凝胶在生理条件下表现出超过300%的伸长率和持续NO释放。氢键相互作用有助于增强SNAP类似物在水凝胶网络中的保留，与含有未修饰SNAP的水凝胶（10小时）相比，供体保留时间延长至144小时。这些释放NO的水凝胶对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）均表现出强效抗菌活性，细菌减少率超过99%，并对表面相关细菌结构造成显著破坏。这种新型氢键键合NO供体-水凝胶系统为持久且可控的NO释放提供了一种有前景的策略，在伤口敷料、组织支架和柔性传感器中具有潜在应用。
**论文解读：氢键介导的酚类SNAP类似物保留策略实现PVA/PEG水凝胶持续一氧化氮释放与抗菌应用**
**一、研究背景与拟解决的科学问题**
一氧化氮（NO）作为内源性双原子自由基气体，是生物体内重要的信号分子和效应分子，参与血管舒张调控、神经元逆行信号传导、炎症与伤口愈合等生理过程，并具有抗菌、抗微生物及抗肿瘤活性。然而，NO的气体本性使其临床直接应用面临巨大挑战，包括释放难以精确控制以及高浓度下固有的细胞毒性风险。因此，开发能够以治疗剂量实现NO精准、局部递送的外源性供体分子和递送材料，对于推进NO的临床转化至关重要。
当前可控制NO释放生物医学器件的研究主要集中于聚合物基材料，通过化学接枝NO供体基团或物理掺杂NO供体两种策略实现功能化。物理掺杂虽可实现从数天到数月的长效NO释放，在某些方面超越化学接枝方法，但其受限于供体泄漏这一显著缺陷。泄漏过程会耗尽NO储库、缩短释放持续时间，并引发不受控的局部NO爆发，从而诱发氧化应激和细胞毒性。例如，S-亚硝基-N-乙酰青霉胺（SNAP）掺杂的硅橡胶和SNAP复合聚氨酯导管分别表现出11%（7天）和47%（22天）的SNAP泄漏率。迄今，针对聚合物体系中嵌入式NO供体的抗泄漏策略仍十分有限。Meyerhoff团队利用氟化S-亚硝基硫醇与PVDF-HFP聚合物基质间的氟-氟相互作用，在9天内实现仅0.6%的最小泄漏量；Handa课题组则通过将负载SNAP的硅油掺入硅橡胶，在24小时内将供体泄漏量较无油配方降低45%。然而，上述策略缺乏普适性，难以有效推广至生物医学应用中的广泛聚合物种类。因此，开发其他可规模化的供体泄漏控制方法，对于实现耐用且高效的NO释放聚合物系统的更广泛应用至关重要。
水凝胶由共价或非共价相互作用形成的三维交联网络构成，具有可调的机械刚度、高溶胀能力、可塑性和优异生物相容性，非常适合生物医学和组织工程应用。尽管负载SNAP或S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）等NO供体的水凝胶在伤口愈合、抗菌和抗癌等领域展现出广泛潜力，但它们同样普遍面临严重的供体泄漏问题。鉴于上述挑战，研究人员提出了一种新颖策略：设计具有酚羟基的NO供体-水凝胶系统，利用酚羟基与水凝胶基质形成氢键（图1a），以缓解供体泄漏、延长NO释放时间并增强释放可控性，为水凝胶基生物医学系统实现持续、可控NO释放提供稳健且通用的平台。
**二、研究内容与核心结论**
本研究通过三步合成路线成功制备了目标SNAP修饰NO供体（NOD），该分子通过酚羟基具备氢键形成能力。NOD在无水凝胶条件下表现出明确且可控的光解（t
1/2 = 10.7秒）和热解（t
1/2 = 19.4小时）NO释放行为。进一步，研究人员将NOD以不同质量百分比（5%、10%、15%）掺入聚乙烯醇（PVA）/聚乙二醇（PEG）水凝胶中，通过冻融循环制备了三种复合水凝胶（PVA-PEG-NOD-5、PVA-PEG-NOD-10、PVA-PEG-NOD-15），并以等摩尔掺杂的SNAP水凝胶（PVA-PEG-SNAP-10）作为对照。研究发现，NOD的酚羟基与PVA/PEG基质之间的氢键相互作用显著增强了供体在水凝胶网络中的保留能力，将供体保留时间从未修饰SNAP的10小时大幅延长至144小时，有效抑制了供体泄漏并消除了NO爆发释放。所制备的NO释放水凝胶对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）均表现出强效广谱抗菌活性，细菌减少率高达99%以上，并可引起细菌表面结构的显著破坏。此外，该水凝胶系统表现出良好的细胞相容性。该研究为开发耐用型NO释放生物材料提供了极具前景的平台，并为通过氢键策略管理治疗系统中的爆发释放问题建立了概念框架。论文发表在《Smart Molecules》。
**三、主要技术方法**
本研究采用多种关键技术方法：（1）利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）及变温FTIR表征水凝胶官能团和氢键相互作用演变；（2）采用X射线衍射（XRD）分析水凝胶的晶体结构；（3）利用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）观察水凝胶微观形貌和元素分布；（4）采用万能试验机评估水凝胶的拉伸力学性能；（5）通过紫外-可见（UV-Vis）分光光度法研究NOD的光解与热解动力学及供体泄漏行为；（6）利用化学发光法NO分析仪定量测定NO释放曲线；（7）采用平板菌落计数法和SEM观察评估抗菌活性；（8）使用Cell Counting Kit-8（CCK-8）法检测水凝胶浸提液对人脐静脉内皮细胞（HUVEC）和成纤维细胞的细胞活性。菌株E. coli和S. aureus购自北纳创联生物技术有限公司（上海，中国）。
**四、研究结果**
**4.1 氢键网络形成与结构表征验证**
变温FTIR分析显示，PVA-PEG-NOD水凝胶的O–H伸缩振动吸收带中心从0°C的约3446 cm
?1蓝移至20°C的3473 cm
?1，总蓝移约27 cm
?1，而空白PVA-PEG水凝胶相同温度范围内仅发生从约3448至3452 cm
?1的微小位移。温度诱导的显著蓝移证实了NOD酚羟基参与了水凝胶网络中的氢键相互作用。XRD分析表明NOD的掺入未改变PVA-PEG复合水凝胶的晶体结构。FTIR光谱证实NOD成功掺入水凝胶网络，保留了供体特征峰。
**4.2 溶胀行为与微观结构调控**
溶胀实验表明，NOD的掺入显著增强了水凝胶的溶胀能力，PVA-PEG-NOD-5、PVA-PEG-NOD-10和PVA-PEG-NOD-15的溶胀率（SR）分别为662%、660%和612%，均高于空白PVA-PEG水凝胶的570%。这种非单调趋势归因于氢键增强亲水性与过量交联限制链迁移的竞争效应。SEM观察显示，NOD掺入后水凝胶孔结构从粗大不规则（10–40 μm）转变为更致密均匀的蜂窝状结构（2–25 μm），表明氢键交联密度增加。EDS能谱仅在NOD负载水凝胶中检测到硫和氮元素信号，证实NOD的均匀分布。
**4.3 力学性能的调控效应**
力学测试表明，纯PVA-PEG水凝胶在300%伸长率时拉伸强度接近3000 kPa。NOD的掺入导致拉伸强度随含量增加而逐渐下降（5%时为2700 kPa，10%时为2532 kPa，15%时为2008 kPa），而断裂伸长率在5% NOD时先增至454%，随后在15%时回落至356%。所有配方均保持优异的力学性能（强度>1500 kPa，伸长率>300%），归因于冻融循环形成的致密氢键网络。较高NOD负载可能部分干扰PVA链缔合和结晶性物理交联点的形成，同时NOD可能发挥温和的分子增塑作用，增强链迁移率和自由体积，从而改变力学行为。
**4.4 NO释放性能与供体保留增强**
体外NO释放实验显示，PVA-PEG-NOD水凝胶表现出持续的NO释放行为：PVA-PEG-NOD-5释放持续103小时，PVA-PEG-NOD-10为120小时，PVA-PEG-NOD-15最长可达144小时，最大NO浓度达3.10 ppb/mg。相比之下，等摩尔负载的PVA-PEG-SNAP-10水凝胶初始NO爆发浓度更高（10.63 ppb/mg），但释放周期仅10小时。累计NO释放量分别为13.1 ppb/mg（NOD-5）、44.61 ppb/mg（NOD-10）、63.25 ppb/mg（NOD-15）和33.98 ppb/mg（SNAP-10）。值得注意的是，在10小时后NOD水凝胶仅释放总NO的24%–32%，而SNAP水凝胶已完全耗尽。归一化泄漏分析表明，PVA-PEG-NOD-15在12小时、3天和13天分别释放约53.4%、74.5%和99.9%的负载供体，而PVA-PEG-SNAP-10在5天内即释放约93.1%，7天内几乎完全释放。此外，PVA-PEG-NOD-15的NO回收率（6.45%）高于PVA-PEG-SNAP-10（3.92%），进一步证实酚羟基的引入改善了供体保留并实现了更持久的NO释放。
**4.5 抗菌活性评估**
抗菌实验表明，PVA-PEG对照水凝胶无固有抗菌活性，而NOD负载水凝胶表现出剂量依赖性抗菌效果。对金黄色葡萄球菌，5%、10%和15% NOD负载水凝胶分别使菌落数减少0.4、1.3和2.2个对数单位，对应抑菌率约62%、96%和99%；对大肠杆菌，分别减少1.2、1.7和3.31个对数单位，抑菌效率约93%、98%和>99.9%，表明对革兰氏阴性菌活性更强。SEM形态学观察显示，经PVA-PEG-NOD-15处理后的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌呈现皱缩和破裂的细胞膜形态，而对照组菌体形态完整。为验证抗菌效应主要源自NO释放，研究人员对耗尽NO的PVA-PEG-NOD水凝胶进行了评价——耗竭NOD水凝胶产生的活菌数与空白PVA-PEG水凝胶相当，而PVA-PEG-NOD-15则显著降低细菌活性，确认了抗菌活性主要源于NOD衍生的NO。
**4.6 细胞相容性**
CCK-8细胞活性检测显示，PVA-PEG和PVA-PEG-NOD-15水凝胶在0.025–0.1 mg/mL浓度范围内使HUVEC细胞活性维持在100%以上，表明无显著细胞毒性；即使在0.2 mg/mL的较高浓度下，细胞活性仍保持在85%以上。值得注意的是，随着NOD含量增加，细胞活性呈非单调趋势，提示低浓度释放的NO促进细胞增殖，而较高水平逐渐产生抑制效应。此外，PVA-PEG-NOD-15在0.025–0.2 mg/mL浓度范围内暴露48小时后，成纤维细胞活性保持在约80%以上，表明可接受的短期细胞相容性。
**五、讨论总结与结论**
讨论部分指出，氢键介导的供体掺入策略有效克服了传统物理掺杂体系中NO供体泄漏和爆发释放的长期挑战。与之前报道的氟-氟相互作用和硅油负载策略相比，氢键策略具有更好的普适性和可扩展性，可推广至广泛的含羟基或极性基团的聚合物体系。PVA-PEG-NOD水凝胶的氢键网络不仅增强了供体保留和NO释放的持续性，还通过调节交联密度实现了微观结构和力学性能的可控调谐。此外，NO释放介导的广谱抗菌活性和良好细胞相容性表明该系统在伤口敷料、组织支架和柔性传感器领域具有潜在应用价值。
**六、研究结论**
总之，本研究提出了一种氢键整合的NO供体（NOD），通过利用与聚合物网络的特异性氢键分子相互作用，在PVA-PEG水凝胶中实现了持续且可控的NO释放。NOD分子表现出明确的（t
1/2 = 10.7秒）和热（t
1/2 = 19.4小时）分解行为。FTIR和SEM分析证实了NO供体的成功掺入和水凝胶基质的微观结构致密化。NOD的添加提高了材料延展性（应变>300%），同时适度降低了拉伸强度。氢键效应显著减少了NO供体泄漏，使NO释放延长至144小时，明显长于传统SNAP掺杂体系。所得水凝胶表现出强效广谱抗菌功效（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率高达99%）、抗生物膜能力和高细胞相容性。这种氢键供体掺入方法为开发耐用型NO释放生物材料提供了一个极具前景的平台，并建立了通过氢键管理治疗系统中爆发释放的概念框架。后续研究将集中于利用伤口感染模型进行体内验证，并探索其他植入式医疗器械的应用。
