一种基于壳聚糖的水凝胶，通过添加拉波尼特（Laponite）增强材料，并借鉴海洋生物的特性，制成可注射的自愈粘合剂，适用于感染伤口的治疗

《Carbohydrate Polymers》：Laponite-reinforced marine bioinspired injectable self-healing adhesive chitosan-based hydrogel for infected wounds

基于贻贝和牡蛎粘附机制的注射型自愈水凝胶，由改性壳聚糖、氧化藻酸盐和Laponite纳米片复合而成，具有高湿粘附强度（520.2 kPa）、广谱抗菌性（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌存活率<0.35%）及促进血管生成和胶原沉积能力，实验模型显示13天内伤口闭合率达96.7%。

　　

Ruirui Guan|Yuhui Su|Shanshan Li|Shuo Yang|Xiaoyun Li|Xiaoying Wang

华南理工大学轻工与工程学院，中国广州市五山路381号，510640

摘要

传统敷料难以贴合不规则伤口，这容易导致细菌感染并阻碍愈合过程。本研究开发了一种可注射的自愈水凝胶，其灵感来源于贻贝和牡蛎的粘附机制，该水凝胶由二氢咖啡酸改性的壳聚糖、氧化海藻酸钠和拉坡纳石纳米片制成。得益于动态亚胺键的协同强化作用以及纳米片的物理填充作用，这种水凝胶可以通过注射器挤出形成直径约0.5毫米的纤维。通过限制氧气在纳米空间中的扩散并促进儿茶酚的缓慢氧化，拉坡纳石纳米片使水凝胶在24小时内对猪皮肤的湿粘附强度达到520.2千帕。实验表明，含有拉坡纳石的水凝胶能将金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的存活率降低至0.35%以下，显示出显著的杀菌效果。体外实验还证明该水凝胶能显著促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的增殖、迁移和血管生成。动物实验进一步证实，该水凝胶能加速表皮再生和胶原蛋白沉积，减少炎症因子TNF-α的水平，并上调与血管生成相关的基因表达。更重要的是，该水凝胶在13天内使金黄色葡萄球菌感染的伤口闭合率达到96.7%。

引言

皮肤创伤常导致深而不规则的伤口，存在出血和感染的风险。若不及时进行适当治疗，这些损伤可能会发展成严重的并发症，如低血压或休克（Agasti等人，2010年；Zhao等人，2024年）。有效的处理需要快速止血、牢固地封闭伤口并促进愈合（Haghniaz等人，2023年；Mehdizadeh & Yang，2013年）。基于水凝胶的敷料因其良好的软组织相容性、保湿性和可调的物理化学性质而成为理想的解决方案（Gupta等人，2019年；Kim, Kim, Han, & Park，2025年）。

海洋生物出色的水下粘附能力为开发具有粘附性的止血水凝胶提供了宝贵的生物启发。贻贝依靠富含多巴胺（DOPA）的蛋白质实现强湿粘附，其中儿茶酚基团起着关键作用（Pan等人，2022年；Wang等人，2025年；Wei等人，2016年）。相反，牡蛎通过在潮湿环境中使用基于碳酸钙（CaCO?）的有机-无机复合材料获得高韧性和强度（Burkett, Hight, Kenny, & Wilker，2010年；Li等人，2018年）。受贻贝和牡蛎粘附机制的启发，我们使用含有儿茶酚基团的有机-无机复合粘合剂水凝胶来制备湿粘附性伤口敷料。壳聚糖是一种从海洋中提取的生物质，因其氨基而具有阳离子特性，具有抗菌活性并能促进胶原蛋白沉积（Ardean等人，2021年；Feng等人，2021年；Harish Prashanth & Tharanathan，2007年）。为了提高粘附性，我们用植物来源的二氢咖啡酸对壳聚糖进行了改性。引入的儿茶酚基团使水凝胶能够瞬间粘附在伤口上。此外，该水凝胶还具备强抗氧化和抗炎性能，并能有效防止生物膜的形成（Amato等人，2018年；Baeza, Sarriá, Mateos, & Bravo，2016年；Huang, Lin, Chen, & Hsu，2024年）。

可注射水凝胶能够填充更深或不规则的伤口形状，封闭伤口，并具有广泛的应用前景（Cao, Zhang, Li, Zhang, & Chen，2023年；Shu等人，2024年）。然而，注射过程和身体活动容易破坏这种柔软的水凝胶网络。因此，需要一种具有湿粘附性的自愈水凝胶来促进伤口闭合。席夫碱反应（Schiff base reaction）是制备此类自愈水凝胶最常用的方法，该反应发生在醛基和伯胺基之间（Bertsch, Diba, Mooney, & Leeuwenburgh，2023年；Xu, Liu, & Hsu，2019年）。基于此，我们假设通过模拟自然界中的有机-无机复合策略，并将具有治疗作用的无机纳米颗粒纳入自愈水凝胶网络，可以同时增强对湿润组织表面的粘附性和愈合效果。为了验证这一假设，我们将拉坡纳石这种无机纳米材料加入水凝胶体系中，以提高复合敷料的韧性、粘附性和促进愈合的能力。拉坡纳石是一种二维盘状合成硅酸盐粘土，其化学式为Na⁺_0.7[(Si₈Mg_5.5Li_0.3]O₂₀(OH)₄^{?0.7。拉坡纳石纳米颗粒具有正电荷的边缘和负电荷的基面，在水中表现出优异的胶体稳定性。当它们被纳入水凝胶时，通过静电和氢键形成可逆交联，从而提高机械强度和粘附性（Brunchi & Morariu，2024年；Gaharwar等人，2019年；Jiao Li, Tian, Yang, Duan, & Liu，2023年；Xie等人，2018年）。拉坡纳石释放的Si4+和Mg2+离子可以刺激人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的迁移行为，并上调血管内皮生长因子（VEGF）和缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）的表达，从而促进伤口愈合和血管生成（Gaihre等人，2024年；Li等人，2018年）。}

在本研究中，我们利用氧化海藻酸钠（OSA）的醛基和二氢咖啡酸改性壳聚糖（CACS）的氨基在温和中性条件下通过席夫碱反应原位形成水凝胶，并加入拉坡纳石以修复感染伤口。这种水凝胶模拟了贻贝足蛋白中的酚类化合物和牡蛎产生的有机-无机复合粘合剂的天然粘附机制，可用于止血。通过构建这种水凝胶，我们研究了其粘附止血性能、抗氧化活性、抗菌效果和细胞相容性。进一步的动物实验证实了其修复效果。研究表明，该水凝胶具有可注射、自愈和组织粘附的止血特性，能够促进细胞迁移、血管生成并有助于感染伤口的修复。这种粘附止血和伤口愈合水凝胶材料可加速伤口愈合，对改善皮肤创伤管理具有重要意义（图1）。

材料

壳聚糖（脱乙酰度=86.58%，分子量=200 kDa）购自海德北生物技术有限公司（中国山东）。海藻酸钠（分子量=480 kDa，Mw/Mn=1.94）和二氢咖啡酸（HCA）购自阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。拉坡纳石来自德国BYK添加剂与仪器公司。过碘酸钠（NaIO₄）和N-(3-二甲基氨基丙基)-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl）、1,1-二苯基-2-吡啶基肼（DPPH）等试剂也购买了。

水凝胶制备

可注射自愈水凝胶是通过CACS的氨基与OSA的醛基之间的亚胺交联反应制备的，不同含量的拉坡纳石可生成不同的纳米复合水凝胶。管倒置试验确认了水凝胶的形成（图1a）。图1b展示了水凝胶的网络结构。水凝胶链可以嵌入拉坡纳石纳米片中，并与拉坡纳石边缘的Si-OH基团形成氢键相互作用（Colletti等人，2020年）。

结论

本研究成功开发了一种可注射、自愈且具有粘附性的水凝胶，用于促进伤口修复，在大鼠全层皮肤缺损模型中实现了有效的皮肤再生。由于水凝胶中含有儿茶酚基团，并通过拉坡纳石进行了交联和强化，该水凝胶在24小时内的湿粘附强度达到520.2千帕。二氢咖啡酸改性壳聚糖和拉坡纳石在其中的协同作用也发挥了重要作用。

作者贡献声明

Ruirui Guan：撰写——原始草稿、验证、软件使用、实验研究、数据分析、概念构建。Yuhui Su：验证、软件使用、数据管理。Shanshan Li：验证、实验研究、概念构建。Shuo Yang：软件使用、实验研究。Xiaoyun Li：撰写——审稿与编辑、资金筹集。Xiaoying Wang：撰写——审稿与编辑、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了CAST青年精英科学家资助计划（编号：2022QNRC001）的支持。