一种受贻贝启发的通用策略，用于制造具有双重杀菌功能的敷料，以消除生物膜并加速感染伤口的愈合

《Carbohydrate Polymers》：A mussel-inspired universal strategy for fabricating dual-bactericidal dressings to eradicate biofilms and accelerate infected wound healing

基于贻贝粘附机制，本研究通过非共价交联在聚乳酸纳米纤维表面构建铜离子-聚多巴胺（PDA）复合物，并接枝羧甲基壳聚糖（CMC），成功开发了具有广谱抗菌性和促进伤口愈合的智能敷料。实验证实该材料能通过静电作用破坏细菌膜结构并抑制炎症因子释放，同时促进成纤维细胞黏附、胶原沉积及血管生成，在感染小鼠伤口模型中显著加速愈合进程。

　　

陈光|徐瑞杰|李双|陈晓雪|纪彦静|张春玲|王玲|易冰城|周启辉|孙云波

青岛大学附属医院重症医学系，中国青岛266003

摘要

临床伤口敷料从传统的惰性材料（例如纱布）到生物活性材料（例如海藻酸盐和透明质酸）都有应用；然而，它们的抗菌效果仍然有限。受到贻贝黏附机制的启发，我们提出了一种通用且简便的伤口敷料抗菌改性策略。该方法利用铜(II)螯合的多巴胺（PDA）纳米聚集体，通过非共价交联（π堆叠和氢键）沉积在聚L-乳酸（PLLA）纳米纤维上，从而形成生物活性表面。随后将羧甲基壳聚糖（CMC）接枝到这种PDA改性的基底上，协同增强了抗菌活性，结合了铜离子的接触杀菌效果和CMC的固有抗菌特性。实验结果证实了铜(II)螯合PDA和CMC的成功沉积，并且表面亲水性有所提高。改性的敷料对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，简称S. aureus）表现出杀菌效果，通过CMC介导的静电作用破坏细菌膜，并促进成纤维细胞的黏附、扩散和胶原蛋白沉积，加速皮肤再生。在感染伤口的小鼠模型中，该敷料能够清除S. aureus生物膜，减轻炎症，促进血管生成，并刺激肉芽组织形成，从而整体加速伤口愈合。这种多功能策略为抗菌伤口敷料的设计提供了创新方法，显示出治疗感染性全层伤口的巨大潜力。

引言

细菌定植和感染是慢性伤口形成的主要原因（Uberoi等人，2024年）。由于宿主防御机制受损，皮肤损伤容易受到细菌污染，从而在伤口部位形成生物膜（Hu等人，2022年；Zhang、Mei等人，2023年）。生物膜会产生酸性代谢物，降低微环境pH值，并分泌降解健康组织的酶（Wang、Zhao等人，2023年；Xu、Hao等人，2024年）。例如，细菌（如金黄色葡萄球菌）感染可能导致糖尿病慢性伤口中的I型胶原蛋白、III型胶原蛋白、氧脯氨酸和蛋白质含量减少，延缓伤口愈合（Qi等人，2022年）。由细菌感染或免疫失调引起的持续炎症进一步阻碍了伤口修复的增殖阶段（Sun等人，2025年；Uberoi等人，2024年）。细菌积聚会触发先天免疫反应，招募巨噬细胞和中性粒细胞，这些细胞分泌促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-6和IL-1β（Li、Wang、Chen等人，2024年）。它们的局部积聚会加剧组织损伤并延缓愈合。然而，目前的临床敷料，包括传统的惰性材料（如纱布）和生物活性材料（如亲水性纳米纤维和水凝胶）（Dong & Guo，2021年），缺乏强大的抗菌效果。为了解决这一限制，开发一种通用的抗菌改性策略对于提高敷料的抗感染能力和促进愈合的临床效果至关重要。

静电纺丝纤维支架因其纳米网络结构而被广泛用于伤口敷料中，这种结构模拟了天然的细胞外基质（ECM）（Chen等人，2021年；Weng等人，2024年；Zhang等人，2022年），增强了渗出物的吸收并支持细胞增殖（Su等人，2021年）。静电纺丝纳米纤维独特的微纳米拓扑结构进一步提供了有效的物理屏障，防止微生物侵入（Wu & Hong，2016年）。在纤维制造过程中加入抗菌剂或使用具有天然抗菌性的聚合物，可以增强其抑制细菌定植和降低感染风险的能力（Bingcheng等人，2024年；Chen等人，2025年；Wang、Sun等人，2023年）。羧甲基壳聚糖（CMC）是一种重要的抗菌生物材料，其抗菌效果源于其阳离子-NH₃⁺基团，这些基团通过静电相互作用破坏细菌膜完整性，最终导致细菌裂解（Shariatinia，2018年）。值得注意的是，作为壳聚糖的水溶性衍生物，CMC不仅继承了其母体聚合物的所有核心特性（止血、抗菌和抗黏附），还克服了壳聚糖在中性pH下的不溶性（Cheng等人，2024年；Geng、Xue等人，2023年）。更重要的是，在治疗感染伤口时，CMC相比其他常用的天然多糖（如海藻酸盐、透明质酸和纤维素）具有明显的性能优势。例如，其质子化的-NH₃⁺基团与红细胞和血小板发生静电相互作用，加速血栓形成（Zhou等人，2025年）。这种止血机制具有更即时和强大的效果，与海藻酸盐的吸水凝固因子浓度效应（作用缓慢）和透明质酸本身的较弱止血活性相比。在中性pH下的水溶性确保了敷料在伤口上的均匀分布。在抗菌活性方面，其阳离子成分可以无药物依赖性地实现广谱细菌膜破坏，这优于需要外部抗生素的纤维素衍生物以及抗菌效果不强的海藻酸盐/透明质酸（Jia等人，2023年；Liu等人，2026年）。同时，CMC可以形成稳定的亲水膜，减少愈合后的组织黏附（Luo等人，2025年），防止海藻酸盐多孔结构引起的异常组织生长，弥补透明质酸薄膜形成能力不足的问题，并提供可靠的抗黏附效果。此外，CMC的亲水羧基和阳离子位点增强了渗出物的吸收，促进了与PDA儿茶酚成分的稳定结合，有利于成纤维细胞的黏附和胶原蛋白的沉积，进一步支持伤口修复。尽管已有CMC整合的策略，如静电纺丝混合（Song等人，2018年）、制造后的化学/物理改性（Tu等人，2019年）和共价接枝（Wang等人，2024年），但这些方法的可扩展性和工艺复杂性有限。新兴的基于贻贝启发式的多巴胺（PDA）涂层策略因其普遍的黏附性（Yi等人，2021年）、简便的后改性灵活性（通过胺类反应性化学方法）和细胞相容性（Yi等人，2023年）而受到关注。作为一种多酚化合物，PDA可以通过在多巴胺聚合过程中加入过渡金属离子（包括Cu²⁺）来交联，生成均匀的PDA涂层（Yi等人，2023年；Zhang等人，2019年）。这类涂层不仅增强了生物活性分子（如酰胺功能化的CMC）的二次接枝，还利用Cu²⁺介导的生物活性促进细胞黏附、胶原蛋白沉积和血管生成（Gérard等人，2010年）。这种协同作用表明了一种通用的抗菌策略的可行性：在PDA涂层中螯合Cu²⁺以优化CMC的接枝，从而将强大的抗菌功能与生物活性的伤口愈合信号结合起来。

聚L-乳酸（PLLA）是一种FDA批准的生物可降解聚合物，具有可调的机械性能，已被广泛用于皮肤伤口修复（Yu等人，2023年）。利用之前报道的金属-儿茶酚胺组装策略（Yi等人，2023年），我们在静电纺丝PLLA纳米纤维上制备了PDA涂层。随后，通过PDA的儿茶酚基团与CMC的氨基之间的迈克尔加成反应，将CMC接枝到PDA上（图1）。成功的表面改性（CMC@PDA-Cu²⁺）通过扫描电子显微镜（SEM）、能量分散X射线光谱（EDS）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子光谱（XPS）等全面表征方法得到了验证。系统评估了改性PLLA纳米纤维的物理化学性质，包括机械强度、Zeta电位、膨胀行为和亲水性。体外研究评估了其对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效果、成纤维细胞的黏附和增殖情况，并通过免疫荧光染色评估了生物相容性。体内效果通过使用8毫米S. aureus感染的小鼠伤口模型进行了研究，以考察CMC@PDA-Cu²⁺改性的抗菌效果和促进伤口愈合的作用。

PLLA纳米纤维的静电纺丝

PLLA纳米纤维是通过静电纺丝方法制备的。简要来说，首先将PLLA（分子量约为300,000，来自中国大港）溶解在1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇（HFIP，来自中国Chembee）中，制备成10%（w/v）的聚合物溶液。搅拌12小时后，在以下条件下进行静电纺丝：施加电压13 kV，流速0.5 mL/h，针头到收集器的距离18 cm，环境条件为20–25°C，湿度25–30%。然后，将制备好的PLLA纳米纤维进行真空干燥。

成功制备了CMC@PCu@P纳米纤维

通过配位螯合铜(II)后，PDA作为桥梁通过非共价交联（π-π堆叠和氢键）沉积在PLLA纳米纤维基底上，实现了铜(II)的结合。随后，CMC通过迈克尔加成反应和氢键与PDA反应，并通过PDA的物理吸附，形成了具有双重抗菌特性的CMC@PCu@P纳米纤维膜（图2A）。SEM图像证实了表面的显著变化。

讨论

慢性伤口经常伴有细菌感染和生物膜的形成，这会阻碍愈合并加剧炎症（Uberoi等人，2024年）。为了解决这一临床挑战，我们开发了一种通用的、简便的抗菌改性策略，通过将铜(II)和CMC通过PDA涂层整合到静电纺丝PLLA纳米纤维上，实现了几乎所有伤口敷料的抗菌改性。该平台利用PDA的多功能表面化学性质螯合铜(II)离子，并通过迈克尔加成共价接枝CMC。

结论

总之，我们开发了一种CMC/PDA-Cu²⁺改性的PLLA静电纺丝纳米纤维平台，表现出强大的抗菌、抗炎和促进愈合的效果。体外研究表明，该材料能有效灭活革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S. aureus），并提高了细胞相容性，表现为成纤维细胞存活率和胶原蛋白分泌的改善。值得注意的是，CMC@PDA-Cu²⁺改性的纳米纤维在感染伤口模型中促进了血管生成并加速了伤口闭合，同时调节了炎症。

CRediT作者贡献声明

陈光：撰写——审阅与编辑，研究。徐瑞杰：可视化，验证，软件，研究，数据管理。李双：验证，研究，形式分析。陈晓雪：研究，数据管理，概念化。纪彦静：验证，研究。张春玲：验证，数据管理，概念化。王玲：可视化，验证，研究。易冰城：撰写——审阅与编辑，监督，方法学。周启辉：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者非常感谢青岛生计技术计划项目（授权号：19-6-1-10-nsh）的财政支持。