编辑推荐：
自适应水凝胶PLC通过整合聚乙烯醇（PVA）和ι-角叉藻胶基质，搭载绿藻和氨苄西林实现缺氧环境供氧、抗菌及自愈功能，并具备生物传感特性，有效促进关节运动区伤口愈合，为个性化智能敷料开发提供新思路。
任中光|庄淑玲|赵天宇|尚文硕|孟志豪|刘嘉鑫|任宇航|姜雪|孟玲杰|何洪|高新燕|王中华|田静伟|王琳琳
山东烟台大学药学院，中国烟台264005
摘要
组织缺氧和细菌感染会阻碍伤口愈合过程，给患者和医疗系统带来巨大负担。尽管在伤口护理方面取得了显著进展，但传统敷料在治疗效果上仍有不足。此外，它们无法适应不规则的伤口形状，且缺乏自愈能力，这可能会影响愈合过程。受变形虫环境适应性和生物可塑性的启发，我们开发了一种自适应水凝胶（PLC水凝胶），通过加载普通小球藻（Chlorella vulgaris）和氨苄西林，并以聚乙烯醇（PVA）和ι-卡拉胶（ι-Carrageenan）为基质，赋予其释氧和抗菌性能。该水凝胶兼具可塑性、适应性、自愈能力和可注射性。通过加入普通小球藻和氨苄西林，PLC水凝胶能够持续释放氧气并抑制细菌感染。实验表明，该水凝胶具有优异的电学和传感性能，同时还具备止血能力和良好的生物相容性。体内伤口愈合评估结果显示，PLC水凝胶对加速伤口愈合具有积极作用。这些结果凸显了这种多功能水凝胶在伤口治疗管理、个性化精准诊疗方面的潜力，为新型伤口敷料的研究与开发提供了新的思路。
引言
水凝胶敷料与关节皮肤伤口之间的机械不匹配和适应性不足会导致水凝胶脱落、细菌感染以及伤口愈合延迟[1]、[2]、[3]。同时，血管和组织损伤引起的缺血也会形成缺氧微环境，进而引发严重的局部氧化应激和炎症，阻碍组织再生[4]、[5]、[6]。因此，在治疗关节或活动区域的组织创伤时，迫切需要能够适应皮肤运动变化、有效预防细菌感染并提供充足氧气的多功能水凝胶敷料。
缺氧是由于血管损伤和血管收缩无法满足氧气需求造成的，这是伤口愈合过程中的关键因素。缺氧会抑制血管生成和细胞增殖，增加感染风险，从而阻碍组织再生并延缓伤口愈合[7]、[8]。研究表明，球形单细胞真核藻类Synechococcus elongatus能够改善伤口缺氧情况，其氧气输送效率优于常用的基于氧气的治疗方法[9]。普通小球藻（Chlorella）含有丰富的绿色光合色素叶绿素，能够高效进行光合作用并产生氧气[6]、[10]、[11]。水凝胶因其独特的多孔微观结构和高水分含量，成为培养普通小球藻的“理想培养基”。它们不仅为普通小球藻的存活和生物活性提供长期支持，还能促进气体交换，从而促进伤口愈合[12]、[13]。赵等人制备了由普通小球藻包裹的甲基化明胶水凝胶尖端和聚醋酸乙烯酯背层组成的多功能水凝胶微针[14]，这些微针能够持续释放氧气并输送到深层皮肤。体内评估结果显示，它们有助于促进伤口愈合，为治疗缺氧伤口提供了有前景的方法。此外，吴等人将Chlorella融入聚丙烯酰胺和海藻酸钠（polyacrylamide and sodium alginate）制成的复合水凝胶中[15]，这种复合水凝胶能够为普通小球藻的生长提供适宜的微环境，并持续释放氧气，从而显著加速伤口闭合，成为增强缺氧伤口愈合的理想敷料候选材料。
细菌感染不仅会延长伤口愈合时间，还可能引发其他严重并发症，如全身性感染、败血症、器官衰竭甚至死亡[16]、[17]、[18]。据报道，在水凝胶中加载抗菌剂可以杀菌并预防伤口感染。胡等人开发了一种基于海藻酸钠/羧甲基壳聚糖（sodium alginate / carboxymethyl chitosan）的生物活性水凝胶，通过释放抗菌剂实现长期抗菌效果，从而加速感染伤口的愈合[19]。氨苄西林（AMP）是一种广谱抗生素，通过抑制细菌细胞壁合成发挥杀菌作用，减少细菌增殖[20]。戈尔布诺娃（Gorbunova）等人制备了κ-卡拉胶/聚两性离子水凝胶薄膜，并加载氨苄西林作为抗菌剂，该水凝胶薄膜对革兰氏阴性和阳性微生物均表现出优异的抗菌效果，具有很大的应用潜力[21]。
作为单细胞生物，变形虫能够对外部刺激迅速改变形状，展现出对周围环境的显著适应性[22]、[23]。这种适应性为治疗不规则形状的伤口和活动区域的伤口提供了可靠模型，因为它们可以适应皮肤运动的变化，附着在伤口表面并提供治疗和保护。此外，密切监测伤口进展对于制定更精确的治疗计划和提高治疗效果至关重要[24]。具有理想机械性能和导电性的水凝胶能够准确监测伤口处的皮肤运动[25]。通过应用水凝胶传感器监测生理信号，可以追踪伤口愈合过程中的行为模式变化，并逐步恢复运动范围和强度[26]、[27]。实时监测患者状况、识别早期恶化迹象并相应调整治疗计划是实现个性化智能化医疗的关键步骤。
受变形虫生物可塑性和环境适应性的启发，我们使用聚乙烯醇（PVA）和卡拉胶作为基质，制备了一种“类变形虫”水凝胶（PLC水凝胶），并加入Chlorella和氨苄西林以赋予其特定功能。与已报道的含普通小球藻的水凝胶相比，PLC水凝胶不仅具有强大的可重复自愈能力和良好的抗菌性能，还表现出良好的传感特性。通过整合智能监测和治疗功能，该水凝胶在促进伤口愈合的同时展现了出色的电学性能，为开发先进的电子皮肤和可穿戴人机交互设备提供了有价值的思路。
聚乙烯醇（PVA，分子量约47,000）、ι-卡拉胶（水粘度约为12 mPa?s，来自0.3%的ι-卡拉胶溶液，25°C）、十水合四硼酸钠（硼砂，纯度99.5%）和氨苄西林（AMP，纯度98%）均由Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd.提供。Chlorella由中国科学院烟台海岸带研究所提供。氯化钾（KCl）购自上海Meryer Biochemical Technology Co., Ltd.
为了解决运动相关伤口和伤口缺氧问题，我们设计并制备了一种受变形虫启发的水凝胶（PLC水凝胶），其中加载了活性Chlorella。PVA与硼砂之间形成的硼酸酯键赋予了PLC水凝胶类似变形虫的自愈性、延展性和柔韧性。Chlorella的加入使其具有释氧功能，而氨苄西林的添加则赋予其抗菌性能。
组织缺氧和细菌感染会导致伤口愈合延迟。此外，无法适应不规则伤口形状且缺乏自愈能力的伤口敷料在应用上存在局限性。受变形虫能力的启发，我们基于生物相容性聚乙烯醇（PVA）/卡拉胶制备了一种自适应、自愈、抗菌、产氧并具有运动监测功能的水凝胶敷料。
与人类皮肤相关的粘合剂和运动监测测试由作者（赵天宇）独立按照世界医学协会（赫尔辛基宣言）的伦理准则进行，实验程序经过了烟台大学动物护理委员会的严格审查和批准。所有动物研究和处理程序均符合相关指南。
作者声明没有利益冲突。
王中华：监督、概念构思。
任中光：撰写——初稿、资金获取、数据分析、概念构思。
高新燕：实验研究。
何洪：数据分析。
孟志豪：实验研究、数据管理。
王琳琳：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。
赵天宇：实验研究、数据分析、数据管理。
田静伟：监督、项目管理。
庄淑玲：
作者声明没有利益冲突。
本工作得到了
烟台大学创业基金会（编号2222021）的财政支持。
