湖北大学AFM：Janus水凝胶助力耐药菌感染伤口快速恢复

开放性伤口破坏了受损组织的完整性，并使其暴露于细菌感染之中。传统的伤口缝合方法常常会导致受损组织的再次损伤，从而延缓愈合过程，尤其是在存在细菌感染的情况下。湖北大学吴水林/刘想梅开发了一种具有生物粘附和多模式消毒（BAMD）能力的Janus水凝胶粘合剂（BAMD水凝胶），该水凝胶采用旋涂工艺制备，可作为传统缝合方法的替代品。该水凝胶由中药有机小分子大黄素（Rhe）和氧化石墨烯（GO）的有机-无机杂化组合构成，赋予了BAMD水凝胶由光动力（PD）和光热（PT）效应驱动的双模式抗菌活性，包括短期快速消毒（15分钟光照，杀菌率99.95%）和长期无光照条件下的抗菌作用（黑暗孵育6小时后杀菌率100%）。体内实验结果表明，BAMD水凝胶对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的杀菌率达到97.25%。在整个伤口愈合过程中，BAMD水凝胶有效减轻了炎症并促进了组织修复。这种多功能策略为预防术后组织粘连以及大规模组织损伤的封闭和修复提供了新的见解。该研究以题为“A Customized Janus Hydrogel with Robust Bio-Adhesion and Multi-Mode Disinfection for Rapid Recovery of Multi-Drug-Resistant Staphylococcus aureus-Infected Open Wounds”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

方案1展示了通过传统旋涂工艺制备具有快速消毒和生物粘附双重功能的非对称Janus特性水凝胶（BAMD水凝胶）的示意图。该水凝胶的设计分为两部分：首先，基于Janus粘附不对称性，BAMD水凝胶在不同特定场合展现出不同的粘附模式，能够在湿组织开放伤口表面提供温和粘附，并在不同器官术后防止粘连。其次，通过负载天然中药小分子大黄素（Rhe）和二维材料氧化石墨烯（GO），BAMD水凝胶具备短期快速消毒和长期抑制细菌的双重模式抗菌性能。这种设计使BAMD水凝胶能够为不规则开放伤口提供外部保护和多模式抗感染治疗，有效减少组织炎症并促进组织修复，为预防术后组织粘连以及密封和修复大规模组织损伤提供了创新方法。

方案1. 通过传统旋涂工艺制备具有快速消毒和生物粘附双重功能的非对称Janus特性水凝胶的示意图

【BAMD水凝胶的表征与分析】

图1展示了BAMD水凝胶的表征与分析。结果显示，CS-Gel水凝胶呈乳白色，CS-Gel/GO水凝胶呈黑色，Ly-1表面呈紫黑色，而Ly-2透明，且Ly-2的构建不影响Ly-1的颜色。SEM图像显示了典型的多孔水凝胶结构，引入Ly-2后孔径变得更加紧密。XRD数据表明所有样品均保留了碳峰，而GO的特征峰消失，可能是由于GO被封装在水凝胶中减弱了X射线信号。UV–vis–NIR光谱显示，由于Rhe和GO之间的π-π堆积效应，Ly-1的特征峰从406nm红移至513nm，且加载GO后在600-800nm处出现吸收峰，显著增强了CS-Gel在紫外和近红外光下的吸收能力。TG曲线显示，由于GO的物理化学吸附，BAMD水凝胶的热稳定性得到提高。药物释放实验表明，BAMD水凝胶在模拟太阳光照射下Rhe的释放率增加，且在黑暗中长时间释放的Rhe量约为15分钟光照释放量的5倍，显示出良好的长期消毒能力。这些结果表明，BAMD水凝胶具有良好的结构稳定性和药物释放性能，为后续的性能测试和应用提供了基础。

图1. BAMD水凝胶的表征与分析

【BAMD水凝胶的力学和粘附性能】

图2展示了BAMD水凝胶的力学和粘附性能。实验表明，加入GO和Rhe显著增强了水凝胶的力学性能，而Ly-2的加入进一步提高了其应变强度和延展性。BAMD水凝胶在不同基材上展现出良好的粘附性能，满足了实际应用中的强度要求。此外，该水凝胶在PBS中膨胀率低，亲水性好，且在光照条件下粘附性能不受影响。这些特性使BAMD水凝胶在多种应用场景中具有潜力，包括开放伤口的闭合和防止术后组织粘连。

图2. BAMD水凝胶的力学和粘附性能

【BAMD水凝胶的光响应性能测试】

图3展示了BAMD水凝胶的光响应性能测试。通过红外热成像仪检测BAMD水凝胶在模拟太阳光（SSL）照射下的温度升高情况，结果显示，加入GO和Rhe显著提高了CS-Gel的温度，且碱化Rhe使Ly-1的温度比CS-Gel/GO高出约5°C，表明碱化Rhe能增强GO的光热（PT）效应。BAMD水凝胶在SSL照射下表现出良好的光热稳定性和对生物安全的兼容性，其在皮肤表面应用时不会对周围组织和皮肤造成伤害。此外，BAMD水凝胶在660nm红光和808nm近红外（NIR）光照射下表现出PT响应，而在蓝光和紫外光下则表现出光动力（PD）效应，能够产生活性氧（ROS）。电子自旋共振（ESR）光谱进一步确认了BAMD水凝胶在SSL照射下产生的超氧阴离子（•O₂⁻）和单线态氧（¹O₂）类型。这些结果表明，BAMD水凝胶具有优异的光热和光动力性能，为其实现光控消毒和治疗提供了科学依据。

图3. BAMD水凝胶的光响应性能测试

【BAMD水凝胶的体外抗菌性能】

图4展示了BAMD水凝胶的体外抗菌性能。通过将BAMD水凝胶与耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和表皮葡萄球菌（S. epidermidis）混合，并在模拟太阳光（SSL）照射下进行短期快速杀菌实验，结果显示BAMD水凝胶对这些细菌具有显著的杀菌效果，其中对MRSA的杀菌率达到99.95%。长期抗菌实验表明，BAMD水凝胶在黑暗中6小时的抗菌率达到100%，能够有效抑制细菌生长。扫描电子显微镜（SEM）和细菌活/死染色实验进一步证实了BAMD水凝胶通过破坏细菌细胞膜和释放细菌内容物来杀死细菌。此外，BAMD水凝胶还表现出对细菌生物膜的强抑制效果，对S. aureus和MRSA的生物膜抑制率分别为76%和67%。这些结果表明，BAMD水凝胶不仅在短期光照射下具有快速消毒能力，而且在长期黑暗中也具有持续的抗菌活性，显示出良好的抗菌性能和预防生物膜相关感染的潜力。

图4. BAMD水凝胶的体外抗菌性能

【BAMD水凝胶的体外生物相容性】

图5展示了BAMD水凝胶的体外生物相容性实验。通过溶血测试、鸡胚尿囊膜（CAM）测试和细胞毒性测试（MTT实验），评估了BAMD水凝胶对红细胞、血管和细胞的影响。溶血测试结果显示，BAMD水凝胶不会引起红细胞膜破裂或显著溶血（溶血率：<5%）。CAM测试表明，BAMD水凝胶不会对血管造成显著损伤或刺激。MTT实验进一步证实了BAMD水凝胶对NIH-3T3、MCT-3T3和A549细胞系无显著细胞毒性，且BAMD水凝胶组的MCT-3T3细胞数量比对照组高出150%，表明其中药成分大黄素（Rhe）具有促进细胞成骨的特性。此外，细胞迁移实验表明，BAMD水凝胶能显著提高细胞迁移效率，促进组织修复。抗氧化实验（Ellman’sassay）也显示，BAMD水凝胶具有显著的抗氧化效果。这些结果表明，BAMD水凝胶具有良好的生物相容性，适合用于组织修复和伤口愈合。

图5. BAMD水凝胶的体外生物相容性

【BAMD水凝胶引导的抗菌治疗和促进不规则伤口愈合的体内实验】

图6展示了BAMD水凝胶在体内对不规则伤口愈合和抗菌性能的评估。实验使用了雄性Sprague Dawley（SD）大鼠，通过在大鼠背部制造MRSA感染的切口（2厘米长），并随机分为六组（每组3只），分别进行不同处理：对照组（无处理，无MRSA）、对照MRSA+组（无处理，添加MRSA）、缝合组（缝合处理，无MRSA）、缝合MRSA+组（缝合处理，添加MRSA）、氰基丙烯酸酯MRSA+组（添加MRSA并使用氰基丙烯酸酯粘合剂）和BAMD水凝胶MRSA+组（应用BAMD水凝胶，随后进行15分钟SSL照射和6小时黑暗孵育）。结果显示，MRSA感染的伤口愈合速度比消毒伤口慢，而BAMD水凝胶组在愈合过程中保持了有效的伤口闭合，即使在受到外部力量时，周围组织的毛发生长也更好，表明BAMD水凝胶通过促进伤口表面的应力闭合来增强伤口愈合。在治疗后的第二天，通过收集大鼠皮肤伤口组织的匀浆并进行平板计数法分析，评估了BAMD水凝胶的体内抗菌性能。结果表明，BAMD水凝胶组在体内表现出显著的抗菌效果，通过光快速消毒和黑暗长期抗菌的双重模式有效消除了大部分细菌。此外，红外热成像和温度曲线显示BAMD水凝胶在体内具有显著的光热转换效果。革兰氏染色结果与第二天的平板涂布测试结果一致，进一步证实了BAMD水凝胶的抗菌效果。

图6. BAMD水凝胶引导的抗菌治疗和促进不规则伤口愈合的体内实验

【BAMD水凝胶对伤口组织的恢复】

图7展示了BAMD水凝胶在体内对MRSA感染伤口愈合过程中的炎症反应和胶原沉积的影响。通过苏木精-伊红（H&E）染色和Masson染色，评估了不同时间点（第2天、第7天和第14天）伤口组织的炎症程度和胶原沉积情况。H&E染色结果显示，BAMD水凝胶组在第2天的中性粒细胞计数显著低于其他组，表明其具有优异的抗炎特性。到了第7天，BAMD水凝胶组的炎症反应较其他组更为轻微，且在第14天几乎完全消除了炎症，而其他组仍存在中性粒细胞。Masson染色结果显示，BAMD水凝胶组在第7天的胶原沉积率约为71.09%，显著高于其他组，到了第14天，BAMD水凝胶组的胶原沉积率达到89.52%，表明伤口基本愈合。这些结果表明，BAMD水凝胶通过快速光消毒和长期黑暗抑制的双重模式有效清除了伤口组织中的残留MRSA和表面共生细菌群中的机会性病原体，减少了伤口炎症，并促进了组织愈合。此外，通过对大鼠主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的H&E染色评估，结果显示BAMD水凝胶在治疗14天后对大鼠的主要器官没有造成损伤，表明其具有良好的生物相容性。

图7. BAMD水凝胶对伤口组织的恢复

【小结】

该论文开发了一种多功能的Janus水凝胶（BAMD水凝胶），通过简单的旋涂工艺将具有生物粘附性和多模式消毒功能的水凝胶与生物粘合剂结合。这种水凝胶由两部分组成：第一层（Ly-1）是含有光响应的中药小分子大黄素（Rhe）和氧化石墨烯（GO）的双模式抗菌凝胶层，第二层（Ly-2）是通过旋涂技术构建在Ly-1表面的生物粘合剂。BAMD水凝胶展现出强大的粘附性、光热（PT）和光动力（PD）性能，适用于处理开放性伤口（如擦伤、切割伤和撕裂伤），并能引导多种消毒模式。在体外实验中，BAMD水凝胶对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）等病原菌表现出快速消毒和长期抗菌能力。体内实验结果表明，BAMD水凝胶能有效抑制细菌生长，实现97.25%的杀菌率，并在伤口愈合过程中有效减少炎症和促进组织修复。此外，BAMD水凝胶还具有良好的生物相容性，对主要器官无明显毒性。该研究为开发非抗生素伤口闭合治疗提供了一种新的策略，有望替代传统缝线并加速MRSA感染开放性伤口的愈合。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202420443