《Biomaterials Advances》：Nisin Z and cinnamaldehyde co-delivery via fiber-reinforced alginate hydrogels: A synergistic in vitro strategy against infected pressure ulcers
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压疮（pressure ulcers）是由持续压力、剪切力或摩擦力引起的皮肤及皮下组织局部损伤，尤其常见于长期卧床和老年患者。慢性创面为微生物定植和生物被膜（biofilm）形成提供了有利环境，严重损害组织再生并降低常规抗菌疗法的疗效，给临床管理带来巨大挑
压疮（pressure ulcers）是由持续压力、剪切力或摩擦力引起的皮肤及皮下组织局部损伤，尤其常见于长期卧床和老年患者。慢性创面为微生物定植和生物被膜（biofilm）形成提供了有利环境，严重损害组织再生并降低常规抗菌疗法的疗效，给临床管理带来巨大挑战。海藻酸钠（sodium alginate, SA）水凝胶因其高含水量、生物相容性和可调的理化性质而成为有前景的创面敷料材料，但传统水凝胶的机械强度和结构稳定性往往不足。为克服这一局限，本研究将静电纺丝（electrospinning）聚己内酯（polycaprolactone, PCL）纤维融入海藻酸盐水凝胶，并利用纤维结构作为独立的功能隔室，实现Nisin Z（NZ）与肉桂醛（cinnamaldehyde, CN）的分区递送。研究人员系统评价了该复合水凝胶的理化、机械和生物学性能。结果表明，纤维增强结构显著改善了水凝胶的力学性能，且增强体的形态（连续纤维膜或碎片化纤维）可调控水凝胶的降解、水合、孔隙率和通透性等特性。NZ与CN在体外对金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*）和表皮葡萄球菌（*Staphylococcus epidermidis*）表现出显著协同抗菌作用（分级抑菌浓度指数FICI≤0.258），二者联合还拓展了对革兰氏阴性菌的抗菌谱。CN赋予体系抗氧化功能，而NZ在保持高HaCaT细胞相容性的同时提供快速杀菌活性。该双室共递送策略实现了两种抗菌剂独立、互补的释放动力学，为感染性压疮治疗提供了一种兼具结构增强与多功能生物活性的新型创面敷料平台，但针对铜绿假单胞菌的疗效仍需进一步优化。
**论文解读：**
**一、研究背景与科学问题**
压疮（pressure ulcers）是由持续压力、剪切力或摩擦引起的皮肤及皮下组织局部损伤，好发于长期卧床和活动受限的老年患者。该类创面愈合过程复杂，且极易发生微生物定植和生物被膜（biofilm）形成，导致感染难以控制、组织再生受阻，给临床治疗带来沉重负担。常用的传统敷料如纱布和简单聚合物薄膜，难以维持理想的湿性创面环境，无法高效递送生物活性物质，也难以适应不规则的创面形态，因此疗效有限。水凝胶凭借高含水量、生物相容性和可调的理化性质成为理想的创面敷料候选材料，但传统海藻酸钠（sodium alginate, SA）水凝胶力学强度差、结构稳定性不足，限制了其在承重或高渗出创面中的应用。静电纺丝（electrospinning）技术可制备具有高比表面积、连通孔隙和可控结构的超细纤维，将其作为增强体嵌入水凝胶可显著改善力学性能，同时纤维网络还可作为药物储库。然而，现有双活性剂水凝胶体系大多将两种药物简单地共载于同一基质中，难以独立调控各自的释放动力学，且常导致易溶药物的突释和易降解药物的活性损失。此外，纤维增强体通常仅作为力学填料，其作为独立药物载体的潜力未被充分挖掘。针对这一设计空白，本研究提出了一种新策略：将静电纺丝PCL纤维同时作为结构增强体和独立的生物活性隔室，在海藻酸水凝胶中分区递送亲水性抗菌肽Nisin Z（NZ）与疏水性醛类化合物肉桂醛（cinnamaldehyde, CN），以实现力学增强与协同抗菌、抗氧化功能的一体化整合。
**二、研究设计与总体结论**
研究人员开发了纤维增强海藻酸水凝胶平台，将NZ负载于水凝胶基质中，CN固定于PCL纤维（连续膜FL或碎片化纤维FR）上，构建了双室共递送系统（SA+NZ/FL+CN和SA+NZ/FR+CN）。研究首先通过微量肉汤稀释法和棋盘法测定了NZ和CN对四种常见慢性创面相关细菌的最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration, MIC）和最低杀菌浓度（minimum bactericidal concentration, MBC），并评估二者协同效果；随后通过碱水解制备碎片化PCL纤维，采用浸泡吸附法将CN固定于纤维、NZ负载于水凝胶；对复合水凝胶进行了化学、热学、力学、降解、水合、孔隙率、透气性等系统表征，并评价了释放动力学、抗氧化活性、抗菌/抗生物被膜性能及HaCaT细胞相容性。研究结果表明，该纤维增强水凝胶成功实现了结构增强与双活性剂分区递送的协同整合：NZ提供快速杀菌作用，CN提供广谱抗菌和抗氧化功能，二者协同拓展了抗菌谱并增强抗生物被膜能力，同时保持了良好的细胞相容性。该研究首次报道了在SA基水凝胶中通过纤维增强体形态调控实现分区负载和互补释放的双活性剂递送策略，为感染性压疮敷料设计提供了新思路。
**三、关键技术方法**
本研究采用静电纺丝技术制备PCL微米纤维膜（平均直径约1.03 μm），并通过1 M NaOH碱水解3天获得碎片化纤维（FR）。CN通过浸泡吸附固定在PCL膜和碎片上，选定浓度20×MBC（6.40 mg/mL），实际固定量达2.793±0.357 mg/mL；NZ通过浸泡吸附负载于SA水凝胶中，选定浓度20×MBC（2.560 mg/mL），负载量0.286±0.082 mg/mL。水凝胶采用2%（m/v）SA溶液与2%（m/v）CaCl
2交联制备，纤维膜在浇铸前置于培养皿底部，碎片则在磁力搅拌和超声处理下分散于SA溶液中。主要表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、热重分析（TGA/DTG）、差示扫描量热法（DSC）、压缩循环和粘附力测试；生物学评价包括紫外-可见分光光度法释放动力学、DPPH自由基清除、ASTM E2149振荡瓶法抗菌试验、结晶紫与刃天青抗生物被膜试验以及ISO 10993-5直接接触细胞毒性试验。
**四、研究结果**
**4.1 活性剂表征与协同抗菌作用**：NZ对革兰氏阳性菌表现出强效杀菌活性（MIC/MBC均为8 μg/mL），而对革兰氏阴性菌效果较弱（对大肠杆菌MBC达128 μg/mL）。CN抗菌谱类似但所需浓度更高。棋盘法显示NZ与CN对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌具有显著协同作用（FICI分别为0.019和0.258），对大肠杆菌接近协同（FICI=0.503），对铜绿假单胞菌为无关作用（FICI=2.0）。酚含量和DPPH实验表明CN是抗氧化功能的主要贡献者，在1 mg/mL时清除活性接近阳性对照Trolox，而NZ无 intrinsic 抗氧化活性。
**4.2 PCL纤维碎片化及CN固定**：碱水解有效打断了PCL酯键，产生端羟基和羧基并增加表面粗糙度，有利于CN的吸附固定。CN固定量随溶液浓度升高而增加，在16.00 mg/mL达到饱和后下降；选定20×MBC（6.40 mg/mL）作为功能化浓度，获得远高于MBC的固定量。
**4.3 水凝胶制备与功能化**：三种水凝胶配方（SA、SA/FL、SA/FR）均成功制备，SEM确认纤维成功嵌入SA基质。NZ负载量随初始浓度增加而增加，选定20×MBC（2.560 mg/mL），负载量0.286±0.082 mg/mL，超过对所有测试菌株的杀菌阈值。
**4.4 化学、热学、力学表征**：ATR-FTIR确认SA、PCL、NZ、CN特征峰共存，证明各组分成功整合且无化学改变。热分析表明PCL增强了体系热稳定性并延缓降解。力学测试显示：CN显著提高粘附力（p<0.0001）；碎片化纤维增强体系（SA/FR）弹性恢复能力优于连续膜增强体系；SA+NZ/FR+CN体系在保持较高恢复能力的同时表现出显著增强的抗压强度（p<0.05）。降解和水合实验表明，碎片纤维增强延缓早期降解并维持高水合度，连续膜增强体系在7天内保持结构完整性；NZ有助于抵消CN引起的结构失稳。
**4.5 生物学评价**：释放研究显示NZ呈双相释放模式，SA+NZ/FR释放最快；CN释放量仅为NZ的十分之一且保持恒定，验证了分区递送的独立性。DPPH实验表明SA+NZ/FL+CN体系在48小时保持最高的持续抗氧化活性。抗菌动力学显示：含NZ体系在1小时内对革兰氏阳性菌实现约100%杀灭并持续24小时；对大肠杆菌，NZ+CN组合（SA+NZ/FL+CN和SA+NZ/FR+CN）在4-6小时后显著增强抑菌活性（>60-70%），表明CN破坏外膜促进NZ进入；对铜绿假单胞菌，含CN体系在24小时后实现>50%抑制。抗生物被膜实验显示NZ对革兰氏阳性菌生物被膜抑制约90%（结晶紫法），CN则赋予对革兰氏阴性菌更广谱的活性，二者联用总体效果最佳。细胞实验表明除SA/FL外，所有水凝胶在24小时维持代谢活性>83%，48小时总蛋白含量>92.3%，细胞增殖持续增加，证明体系良好的细胞相容性；NZ/CN联合体系表现出最佳细胞响应。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，NZ和CN通过互补机制实现协同抗菌：NZ通过结合Lipid II抑制细胞壁合成并形成膜孔，CN通过破坏细胞膜完整性和干扰必需酶过程发挥作用。分区递送策略使两种性质截然不同的药物各自独立释放，避免了共载时的相互干扰和突释问题。PCL纤维增强体的形态（连续膜vs碎片）有效调控了水凝胶的力学性能、降解速率和运输特性，实现了结构性能与生物活性的协同优化。需指出的是，该系统对铜绿假单胞菌疗效仍有限，未来可通过提高剂量或引入针对革兰氏阴性菌的第三组分进行优化。
研究结论（翻译）：压疮因愈合受阻和易感性高仍为重大临床挑战。本研究成功开发了负载NZ和CN的PCL（FL和FR）增强多功能SA水凝胶，将结构支撑与抗菌和生物活性相结合。水凝胶表现出均匀形态，PCL的有效掺入改善了力学性能——FL增强体系保持较高抗压强度，FR增强体系则表现出增强的弹性和恢复能力。热学和化学分析证实了NZ和CN的成功掺入及其与SA基质的相互作用。生物学检测证实NZ与CN的互补抗菌作用：NZ对革兰氏阳性菌尤为有效，CN对包括革兰氏阴性菌在内的菌谱更广。二者联用增强了抗菌和抗生物被膜性能，尤其在葡萄球菌属中显示出协同或相加效应；但对铜绿假单胞菌仍疗效有限，反映其固有耐药性。细胞相容性研究证实除SA/FL外所有水凝胶均无细胞毒性，维持80%以上代谢活性和高细胞量与增殖水平。因此，所开发的纤维增强海藻酸水凝胶成功结合了结构增强与互补的抗菌和抗氧化功能，为慢性创面应用提供了合适的理化、机械和生物学性能。该策略将可调的纤维增强体与分区式互补活性递送相结合，在SA基体系中尚无先例，为感染性慢性创面下一代敷料提供了有前景的平台，但针对铜绿假单胞菌的疗效不足提示需进一步优化方可实现临床转化。
