一种基于羧甲基壳聚糖的自降解、自修复水凝胶，具有光热抗菌和抗氧化性能，可用于伤口修复

《International Journal of Biological Macromolecules》：A carboxymethyl chitosan-based self-degradable and self-healing hydrogel with photothermal antibacterial and antioxidant properties for wound repair

本研究设计了一种基于羧甲基壳聚糖（CMCS）的自降解和自修复水凝胶，通过CMCS与4-苯基硼酸（PBA）及鞣酸铁（TA-Fe）复合形成动态共价键，实现pH响应性降解。TA-Fe赋予水凝胶近红外光热转化和抗菌能力，同时具有高粘附性、抗氧化性和良好的血液相容性。体内实验证实其可有效促进皮肤伤口修复。

　　

李书涵|高俊|徐蕾迪|郑国军|孔勇

中国江苏省常州市常州大学石油化工工程学院先进催化材料与技术重点实验室，邮编213164

摘要

本文设计了一种基于羧甲基壳聚糖（CMCS）的可降解自修复水凝胶，用于伤口修复。在CMCS、单宁酸（TA）-Fe复合物和4-甲酰苯硼酸（PBA）的一锅反应过程中，CMCS与PBA之间形成了亚胺键，同时TA-Fe与PBA之间形成了硼酸酯键。这两种键在中性/碱性介质中稳定，但在酸性介质中会水解，因此CMCS/PBA/TA-Fe水凝胶在伤口愈合过程中（pH值从7.0–8.0降至4.0–6.0）可以实现自我降解。此外，水凝胶中的TA-Fe复合物具有优异的光热性能，在近红外（NIR）照射下可赋予水凝胶光热抗菌特性。由于TA中的活性儿茶酚基团，该水凝胶具有很高的粘附性，同时还表现出强抗氧化活性、凝血活性（凝血指数为11.8%）、血液相容性（溶血率为3.02%）和细胞相容性（细胞存活率为99.7%）。体内实验表明，这种水凝胶可以促进伤口愈合。

引言

皮肤是人体最大的器官，作为重要的保护屏障维持体液平衡和控制体温[1]，皮肤伤口可能对人类生活产生不良影响[2]。特别是伤口部位活性氧（ROS）的积累和细菌感染会引发严重的炎症反应[3],[4]。因此，设计有效的伤口敷料以加速皮肤伤口的修复具有重要意义。

尽管传统的伤口敷料如棉絮和纱布可以隔离伤口表面，但它们通常会导致严重的细菌感染和有害ROS在伤口表面的积累[5]。此外，移除这些传统敷料可能会给患者带来疼痛，因为它们会粘附在伤口表面[6]。由于水凝胶独特的三维结构和良好的保水性能，已成为新一代伤口敷料。基于水凝胶的敷料不仅可以吸收伤口渗出物，还能为伤口提供湿润的环境[7]。在已报道的伤口敷料中，可降解水凝胶特别具有吸引力，因为它们可以轻松从伤口上移除而不会给患者带来疼痛[8]。

大多数水凝胶的抗菌活性较低，常用的防止伤口细菌感染的方法是将抗生素集成到水凝胶敷料中。然而，过度使用抗生素可能导致多重耐药菌株的产生，从而延缓伤口修复[9]。为了解决这个问题，提出了光热疗法，利用光热剂产生高温以杀死细菌并促进组织损伤再生[10],[11]。然而，由于大多数光热剂具有潜在的生物毒性和不可生物降解性，其抗菌应用仍然受到限制[12]。

单宁酸（TA）是一种水溶性天然多酚，具有优异的生物相容性，存在于多种植物中[13]，由于其显著的抗菌、抗氧化作用以及止血效果，在生物医学领域受到了越来越多的关注[14]。对于水凝胶敷料而言，组织粘附能力也非常重要，因为粘附性好的水凝胶敷料可以粘附在伤口上，防止组织液泄漏并促进伤口修复[15]。TA含有丰富的儿茶酚基团，基于TA的水凝胶敷料可以利用贻贝启发式的多酚化学原理很好地固定在皮肤表面[15]。更重要的是，TA可以通过其儿茶酚基团与金属离子形成金属酚类网络[16]。在报道的TA-金属复合物中，TA与Fe³⁺形成的TA-Fe具有独特的光热转换能力和高光热稳定性，被认为是用于光热抗菌治疗的有希望的候选物质[17]。

动态自修复能力也是水凝胶敷料的重要特性，因为频繁的活动可能会损坏活动区域使用的水凝胶敷料的完整性[18]。尽管TA或TA-Fe本身没有动态自修复能力，但可以通过与其他物质的共价键合赋予这种能力。羧甲基壳聚糖（CMCS）是壳聚糖的衍生物，具有丰富的氨基团和高水溶性[19],[20]。4-甲酰苯硼酸（PBA）是一种常用的水凝胶交联剂[21]。PBA的醛基可以与氨基进行席夫反应形成亚胺键（C=N），而PBA的硼酸基团可以与顺式-二醇化合物（例如 TA）形成硼酸酯键（B–O–C）[22]。也就是说，PBA的活性醛基和硼酸基在形成双重动态共价键中起着关键作用，这可以用于设计自修复水凝胶敷料。另一方面，CN键和B–O–C键在中性/碱性介质中稳定，而在酸性介质中会解离，这使得设计可降解水凝胶敷料成为可能。

本文设计了一种基于CMCS的可降解自修复水凝胶用于伤口修复。首先将TA与Fe³⁺复合，然后利用所得的TA-Fe复合物通过一锅反应合成CMCS/PBA/TA-Fe水凝胶。TA-Fe、CMCS和PBA之间的双重动态共价键赋予了水凝胶自修复能力。由于伤口愈合过程中pH值从7.0变为4.0–6.0，CMCS/PBA/TA-Fe水凝胶在酸性介质中会因双重共价键的解离而自我降解。由于TA中的活性儿茶酚基团，该水凝胶具有很高的粘附性，并且由于TA-Fe的优异光热转换能力，还表现出光热抗菌特性。体外实验表明，该水凝胶具有强抗氧化活性、凝血活性、血液相容性和细胞相容性。体内实验证明，该水凝胶可以显著加速皮肤伤口的修复。

材料

CMCS（羧甲基取代度为94.9%；分子量Mw=100 kDa；粘度为11.9 mPa·s）购自北京沃凯生物技术有限公司（中国北京）。PBA、三氯化铁（FeCl₃）和2,2′-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸铵盐）（ABTS）购自上海麦克林生化有限公司（中国上海）。TA购自上海延化学科技有限公司（中国上海）。氢氧化钠（NaOH）、1,1-二苯基-2-吡啶肼（DPPH）

TA-Fe复合物的XPS分析

如图2A所示，TA-Fe的XPS谱图中285.04、533.04和713.04 eV处的峰分别对应C 1s、O 1s和Fe 2p。特别是Fe 2p峰的存在表明TA-Fe复合物的成功合成。Fe 2p的高分辨率谱图如图2B所示。711.94和725.34 eV处的两个峰分别对应Fe 2p_3/2和Fe 2p_1/2，表明Fe³⁺是复合物中的主要成分[30]。也就是说，TA与Fe³⁺形成了复合物

结论

总之，基于双重动态共价键和TA-Fe复合物的生物相容性CMCS/PBA/TA-Fe水凝胶可以方便地合成，用于伤口修复。TA-Fe、CMCS和PBA之间的双重动态共价键赋予了水凝胶自降解和自修复性能，而TA-Fe复合物赋予了水凝胶优异的光热抗菌活性和光热稳定性。由于TA中丰富的活性儿茶酚基团，该水凝胶具有很高的粘附性

CRediT作者贡献声明

李书涵：撰写——原始草案、方法学、实验研究。高俊：方法学、实验研究。徐蕾迪：方法学、实验研究。郑国军：方法学、实验研究。孔勇：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。

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所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号82374479）和江苏省研究生研究与实践创新计划（编号SJCX25_1660）的财政支持。我们还要感谢常州大学分析测试中心的洪 chai先生在FTIR方面的帮助。