《Carbohydrate Polymers》：Injectable nanocellulose-based polylipoic acid hydrogels with tunable rheology, strong adhesion and multifunctional bioactivity
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基于纳米纤维素的水凝胶通过整合多巴胺接枝纤维素纳米纤维与聚脂酸制备，兼具优异的粘附性、剪切稀化性能和快速网络恢复能力，同时表现出显著的抗菌和抗氧化活性，生物相容性良好，适用于透皮给药等生物医学应用。
张玉婷|孙明月|孙鹏浩|刘贺|宋占谦|徐旭|翟兆兰|董福浩
中国林业科学院林产品化学工业研究所森林食品资源开发利用国家重点实验室，南京，210042，中国
摘要
开发兼具强组织粘附性、适宜的流变性能和有效抗菌/抗氧化活性的可注射水凝胶仍然是生物医学应用中的主要挑战。在此，我们通过将多巴胺接枝的纤维素纳米纤维（DCNF）与聚硫辛酸（PTA）结合，制备了基于纳米纤维素的动态水凝胶。DCNF不仅构建了一个能够精确调控粘度、剪切变稀行为和注射后结构恢复的渗透纳米纤维网络，还通过捕获末端硫自由基来稳定PTA，从而抑制其降解。因此，所得水凝胶表现出优异的可注射性、在多种基底上的牢固且可重复的粘附性，以及快速的网络恢复能力，并对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）具有有效的抗菌活性，并具有显著的抗氧化能力。体外溶血试验和细胞相容性测试证实了DCNF/PTA水凝胶的良好生物相容性。这项工作提供了一种以纳米纤维素为中心的简单策略，用于制备具有可注射性、粘附性和生物活性的水凝胶，这些特性在体外对于经皮药物输送和其他生物医学应用具有很好的潜力。
引言
个性化医疗和微创医疗的快速发展推动了对先进经皮治疗系统的需求（Wang等人，2025年）。作为下一代药物输送、健康监测和局部治疗平台，这些系统需要能够与人体皮肤形成贴合且坚固界面的材料（Wang等人，2018年）。水凝胶因其三维网络和高水分含量而被视为关键的生物材料，因其出色的生物相容性、仿生特性和高度可调的物理化学性质（Yuan等人，2025年）。水凝胶的柔软和湿润特性使其能够与生物组织发生良好的相互作用。此外，其多孔性使其能够高效装载和控制治疗剂的释放（M. Li等人，2022年）。特别是可注射水凝胶是一种具有医疗潜力的材料，它具有独特的流动性和塑性。然而，仍有一些问题需要解决。水凝胶的聚合物基质材料需要准确平衡粘附性、保湿性、药物释放速率和皮肤相容性（Shen等人，2025年）。配方的流变性能至关重要，确保其在涂覆过程中不会流动并在应用过程中保持形状。此外，水凝胶的亲水环境对疏水性药物的溶解度较低，这使得药物装载和释放变得困难（Pinelli等人，2023年）。
近年来，从各种天然来源提取的纤维素纳米纤维（CNF）在经皮贴片领域展现了巨大潜力（X. Gao等人，2025年）。在各种候选材料中，纤维素纳米纤维（CNF）为可注射水凝胶提供了理想的结构平台（Cui, Zhang, & Coseri, 2023年）。它们的高长径比和丰富的表面羟基/羧基能够形成渗透纳米纤维网络，这一网络主导了水凝胶基质的流变行为、可注射性和机械完整性（D. Li等人，2024年）。在注射过程中受到高剪切力时，纳米纤维素网络会发生可逆的分解和纤维排列，导致明显的剪切变稀；而在剪切停止后，网络通过多个氢键和动态相互作用迅速重构，允许在目标部位快速重新凝胶化（X. Fan等人，2020年）。此外，CNF的表面化学性质可以很容易地进行修饰。将多巴胺接枝到CNF上（DCNF）引入了儿茶酚基团，这些基团不仅增强了与组织和多种基底的湿粘附性，还为动态交联和功能性聚合物链的稳定提供了反应位点（Yang等人，2023年）。还可以进一步与其他活性物质交联，以装载抗菌剂、生长因子或药物，实现抗菌、抗氧化和药物输送等多种功能（Zhao等人，2021年）。
α-硫辛酸（TA）及其聚合形式聚硫辛酸（PTA）提供了动态的二硫键和内在的抗氧化/抗菌功能（Wang, Huang等人，2024年）。然而，单独使用PTA由于可逆的降解而存在结构不稳定问题，这影响了其在药物输送系统中的长期性能（Wang等人，2021年）。因此，将PTA整合到基于纳米纤维素的网络中并稳定动态的二硫键对于制备具有可靠机械和功能特性的可注射水凝胶至关重要（Yang等人，2023年）。
在此，我们假设将DCNF与PTA结合可以制备出具有显著抗菌和抗氧化性能的可注射自愈水凝胶（图1a–b和S1）。进一步提出，DCNF网络可以同时调节剪切变稀行为以实现可注射性，捕获末端硫自由基以稳定动态PTA结构，并提供儿茶酚基团以增强界面粘附性，从而创建一个适用于先进药物输送和其他生物医学应用的多功能平台。
材料
主要原料α-硫辛酸（TA，纯度99%）来自Ada-mas?beta。盐酸多巴胺（DA，纯度98%）、三碱（2-氨基-2-（羟甲基）-1,3-丙二醇）、氢氧化钠（NaOH，纯度99%）和次氯酸钠溶液（NaClO，活性氯含量6%–14%）由Aladdin公司（中国上海）提供。溴化钠（NaBr，纯度99%）、2,2,6,6-四甲基哌啶氧（TEMPO，纯度98%）、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC，纯度99%）等也由该公司提供。
水凝胶的制备和结构表征
首先，研究了TA与DCNF的比例对水凝胶性能的影响。如图S2所示，当TA与DCNF的比例为0.2:1时，TA可以迅速溶解，但由于交联程度不足，无法形成水凝胶。当TA与DCNF的比例达到0.4:1时，水凝胶在室温下迅速形成并保持良好的稳定性。当TA与DCNF的比例达到0.6:1时，水凝胶在冷却后变黄，因为
结论
总之，通过将多巴胺接枝到纤维素纳米纤维（CNF）上并与硫辛酸（TA）结合的简单接枝策略，制备出了用于生物医学应用的多功能水凝胶。所得的多巴胺接枝纳米纤维素（DCNF）作为关键的结构和流变调节剂，形成了一个渗透纳米纤维网络，赋予水凝胶可注射性、机械强度和通过儿茶酚介导的强组织粘附性。同时，聚合物化
CRediT作者贡献声明
张玉婷：撰写——原始草稿。孙明月：正式分析。孙鹏浩：数据管理。刘贺：概念构思。宋占谦：方法学。徐旭：方法学。翟兆兰：撰写——审阅与编辑。董福浩：数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号31890774）对H.L.的支持，以及国家自然科学基金（项目编号32301547）对F.D.的支持。
