基于季铵化壳聚糖-聚苯胺（QCSP）的多功能免疫调节导电超分子水凝胶，具有可控的Zn2+释放特性，可用于感染性烧伤伤口的功能性修复

《International Journal of Biological Macromolecules》：Quaternized chitosan-g-polyaniline (QCSP)-based versatile immunomodulatory conductive supramolecular hydrogel with controlled Zn2+ release for functional healing of infected burn wounds

烧伤创面修复中，基于季铵化壳聚糖-聚苯胺（QCSP）、间苯三酚（THB）和单宁酸/锌离子（TA/Zn2?）的多功能超分子水凝胶通过动态非共价和席夫碱共价交联形成，具备抗菌、抗氧化、免疫调节及促进表皮再生、血管新生和皮肤附属器官再生功能，其动态交联特性实现感染微环境下的可控降解和药物释放，激活ERK1/2和STAT3信号通路加速功能愈合。

　　

陈宝军|徐美光|曹峰|卓少文|孟永康|白朗|李炳炎|尹占海|赵欣|高彦正

河南省人民医院脊柱与脊髓外科，郑州大学人民医院，中国郑州450003

摘要

烧伤容易因细菌感染、过度氧化应激和持续性炎症而引发危及生命的并发症，这些并发症通常会导致皮肤屏障功能受损、肢体结构改变、无汗症和感觉缺陷。烧伤伤口管理中的关键挑战包括抑制细菌定植、清除活性氧、缓解炎症以及促进无疤痕的快速愈合，并实现表皮和皮肤附属结构的再生。尽管生物医学敷料技术有所进步，但实现快速的功能性愈合（即皮肤附属结构和表皮的再生重建）仍然是一个重大难题。本文报道了一种基于季铵化壳聚糖-聚苯胺（QCSP）、2,3,4-三羟基苯甲醛（THB）和单宁酸（TA）/Zn²⁺的多功能导电超分子水凝胶，这些成分通过动态非共价键和席夫碱共价键相互作用进行交联。这种动态交联的互穿聚合物网络（IPN）赋予水凝胶可注射性、导电性、稳定的机械性能以及自愈能力，同时还具备抗菌活性、抗氧化效果和免疫调节功能。体内实验表明，该超分子水凝胶通过促进再上皮化、血管生成和淋巴管生成，以及多种皮肤附属结构的再生，显著加速了感染烧伤伤口的功能性愈合，这可能是通过激活ERK1/2和STAT3信号通路实现的。由于其制备工艺简便且成本低廉，同时具有多种生物活性，这种水凝胶在烧伤后无疤痕、功能性重建方面显示出巨大潜力。

引言

烧伤是一种全球范围内普遍且严重的创伤形式，世界卫生组织报告称，18.27%的烧伤患者在治疗过程中死亡，在所有伤害类型中排名第四，每年有超过30万人因此丧生[1],[2]。仅在中国，每年就有大约每百万人中有5000至10000人遭受烧伤[3]。从病理学角度来看，烧伤会导致组织坏死、增加细菌定植的风险、引发过度炎症和免疫功能障碍，常导致严重瘢痕形成、功能受损和生活质量下降[4]。传统的治疗方法如皮肤移植和传统敷料在促进组织完全再生方面效果有限，无法恢复皮肤的功能性和美观性[5],[6]。理想的烧伤敷料需要具备抗感染、调节炎症和促进修复的综合能力，而现有先进材料在这方面存在明显不足。因此，基于对烧伤后机制的更深入理解，开发新型多功能敷料显得尤为迫切。

此外，巨噬细胞M1/M2表型极化失衡是烧伤伤口愈合障碍的核心机制[7]。烧伤后，促炎因子在炎症微环境中占主导地位，阻碍巨噬细胞向修复型M2表型的转变，从而破坏免疫稳态并延长急性炎症[8]。这种失调会加剧病理级联反应：持续的M1极化会促进慢性炎症和氧化应激，而受损的M2介导的血管生成和神经发生会进一步恶化伤口微环境[9]。同时，屏障破坏导致的多重耐药细菌感染和血管/淋巴管损伤（引起水肿和缺氧）会加剧组织损伤[4]。这些相互关联的过程最终会导致瘢痕组织形成、表皮和皮肤附属结构（如毛囊、皮脂腺）的再生失败以及功能缺陷，凸显出需要针对性免疫调节策略来恢复愈合过程[10],[11]。近年来，越来越多的研究表明，单宁酸（TA）这种获得FDA安全认证的天然多酚，在调节M2巨噬细胞极化和协调金属离子以促进烧伤伤口愈合方面具有显著优势[12]。从机制上看，TA通过抑制LPS-TLR4/MD2复合物的形成来抑制M1极化，促进M2表型转变以上调修复因子（IL-4、VEGF），并清除活性氧以减轻氧化应激[13]。此外，锌离子（Zn²⁺具有抗菌、抗炎和抗氧化作用，以及促进血管生成的效果[14]。重要的是，TA的多酚基团能够与锌离子（Zn²⁺形成稳定的复合物（MPN），这不仅增强了Zn²⁺的稳定性并控制其释放，还促进了TA的免疫调节功能与Zn²⁺生物功能的协同作用，为利用Zn²⁺解决烧伤伤口感染问题奠定了基础。因此，在水凝胶网络中引入TA-Zn²⁺ MPN具有重要意义。

此外，尽管烧伤伤口管理中控制感染至关重要，但现有的水凝胶敷料存在明显局限性。传统配方对多重耐药病原体（如MRSA、铜绿假单胞菌）的抗菌效果不佳，而含有抗生素的系统则存在细胞毒性、药物耐药性和释放不可控的问题[5]。新兴的基于金属离子的策略（如Ag⁺）往往会影响生物相容性，因此需要设计出具有协同作用和响应刺激的抗菌材料[1]。我们提出了一种多组分抗菌系统，结合了季铵化壳聚糖-聚苯胺（QCSP）、锌离子（Zn²⁺和单宁酸（TA），以应对这些挑战。QCSP通过阳离子吸附破坏细菌膜并抑制其代谢，从而发挥快速杀菌作用[16]。Zn²⁺与TA的没食子酸基团通过金属-酚网络（MPN）协同作用，实现酸响应性释放：在感染相关的酸性微环境中快速解离可产生初始杀菌效果，而在生理条件下持续释放则能长期抑制细菌生长，同时不会干扰金属稳态和生物膜形成。TA还对多种底物具有良好亲和力，有效抑制微生物粘附和定植，并与QCSP和Zn²⁺协同作用，对革兰氏阳性和阴性细菌具有广谱抗菌效果[17]。

传统的烧伤敷料包括海绵、泡沫、薄膜和静电纺丝纤维等多种类型，但在临床应用中常常存在局限性[5]。特别是，更换敷料时的切割或机械清创常常会损伤新形成的上皮组织，导致二次损伤、伤口愈合延迟和患者疼痛加剧[18]。作为先进的替代方案，水凝胶因其亲水性、生物相容性、模拟细胞外基质的功能、渗出物吸收能力、保湿性和装载多种功能因子的能力而受到广泛关注[19]。可注射和自愈的水凝胶能够应对不规则伤口形态和机械耐久性的挑战，显示出改善临床结果的潜力[20]。然而，现有水凝胶敷料仍存在抗菌效果有限、生物活性物质释放不可控以及机械适应性整合不足等问题。与传统敷料类似，许多水凝胶难以便捷移除，需要施加机械力才能去除，这可能会破坏脆弱的再生组织并增加患者不适。因此，亟需设计出可根据需要移除的多功能水凝胶系统，以减少更换敷料时的医源性损伤。

本文通过将季铵化壳聚糖-聚苯胺（QCSP）、2,3,4-三羟基苯甲醛（THB）和单宁酸（TA）/Zn²⁺通过动态非共价键（氢键、阳离子-π相互作用和Zn²⁺-多酚配位）及席夫碱共价键进行多组分整合，制备了一种具有再生导向功能的导电超分子水凝胶。通过GTMAC季铵化和接枝聚苯胺合成的QCSP骨架赋予了水凝胶内在抗菌活性（阳离子膜破坏作用）、水溶性和导电性，从而促进细胞增殖的生物电信号传递。THB通过可逆的亚胺键合修饰QCSP，形成QCSP-THB。TA作为双重功能超分子交联剂，通过氢键（没食子酸基团）和阳离子-π相互作用（季铵盐/π系统）促进快速物理凝胶化，同时增强组织粘附、清除活性氧并促使巨噬细胞向M2表型转变以调节免疫[1b-c]。Zn²⁺进一步与TA/THB的没食子酸基团结合形成金属-酚网络（MPN），通过调节金属稳态增强抗菌效果、刺激新血管生成，并实现酸响应性释放（在感染微环境中加速释放，在生理条件下持续释放）。

在本研究中，我们假设通过结合QCSP的抗菌和导电性能、TA的免疫调节和物理交联作用以及Zn²⁺的酸响应性控制和促血管生成效果，这种超分子水凝胶将有效消除伤口感染、调节局部免疫微环境、促进细胞增殖和组织再生，从而比单一组分材料或传统水凝胶更有效地实现感染烧伤伤口的功能性愈合。为了验证这一假设，我们建立了PA感染的烧伤伤口模型，系统评估了该复合水凝胶的治疗效果和作用机制。首先对其微观结构和理化性质进行了表征，然后评估了其生物功能（包括抗菌活性、免疫调节效果和促再生能力），并分析了其在促进无疤痕愈合中的作用机制。动态交联网络赋予水凝胶酸加速解体特性，不仅在感染微环境中实现按需无痛移除，还能在临床应用中实现局部药物释放，避免二次组织损伤。这种集成设计结合了机械适应性（自愈、可注射性）、多机制抗菌活性（QCSP/Zn²⁺/TA协同作用）、免疫调节、导电性和智能释放，满足了烧伤伤口愈合的复杂需求[1]。

材料

壳聚糖（分子量约为100,000 Da，脱乙酰度≥95%）购自合肥博美生物科技有限公司。缩水甘油基三甲基铵氯化物（GTMAC）和过硫酸铵购自Sigma-Aldrich。苯胺、冰醋酸、2,3,4-三羟基苯甲醛（THB）、氯化锌和单宁酸购自Macklin生化有限公司。所有其他试剂均为分析级，使用前无需进一步纯化。

季铵化壳聚糖-聚苯胺（QCSP）的合成

季铵化壳聚糖-聚苯胺（QCSP）的合成过程如下：

免疫调节导电超分子水凝胶敷料的合成

在本研究中，我们制备了一系列可注射、抗菌、导电、自愈且具有良好组织粘附性的超分子水凝胶敷料，能够持续释放锌离子以增强抗菌效果和组织修复能力。选择壳聚糖作为生物相容性骨架，并通过缩水甘油基三甲基铵氯化物（GTMAC）季铵化，得到水溶性和内在抗菌性的季铵化壳聚糖（QCS）。

结论

总结来说，我们报道了一种多功能超分子水凝胶（QCSP/THB/TA@Zn）的合理设计与开发，该水凝胶通过季铵化壳聚糖-聚苯胺（QCSP）、2,3,4-三羟基苯甲醛（THB）和单宁酸（TA）/Zn²⁺的协同整合实现。创新设计基于通过动态非共价/共价键（包括氢键、阳离子-π相互作用和席夫碱反应）和Zn²⁺的交联，构建了互穿聚合物网络（IPN）。

CRediT作者贡献声明

陈宝军：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金获取、数据管理、概念构思。徐美光：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究、数据分析、数据管理。曹峰：数据管理、方法学研究、数据分析。卓少文：方法学研究、数据分析。孟永康：方法学研究、数据分析。白朗：方法学研究、数据分析。李炳炎：方法学研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：82371590）、河南省医学科学技术重点研究计划（项目编号：SBGJ202403002）和陕西省重点科技创新团队（项目编号：2024RSCXTD66）的共同支持。