《MedComm – Biomaterials and Applications》：Polyglutamic Acid-Based Injectable Hydrogel: Design, Fabrication, and Evaluation in Accelerating Infected Wound Repair
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水凝胶因其可注射性和原位成胶特性，在感染性创面修复中已成为极具前景的候选材料。本研究设计并制备了一种基于聚谷氨酸（PGA）的可注射、原位形成水凝胶PGBP，并评估了其促进感染性创面愈合的效能。研究人员首先通过PGA与N-甲基丙烯酰基-1,6-己二胺（MHB）的
水凝胶因其可注射性和原位成胶特性，在感染性创面修复中已成为极具前景的候选材料。本研究设计并制备了一种基于聚谷氨酸（PGA）的可注射、原位形成水凝胶PGBP，并评估了其促进感染性创面愈合的效能。研究人员首先通过PGA与N-甲基丙烯酰基-1,6-己二胺（MHB）的酰胺化反应合成PGB聚合物，随后再与4-arm-PEG-SH经Michael加成反应交联形成PGBP。所得水凝胶表现出多孔三维网络结构、高溶胀能力与保水性能、优异的血液相容性，以及适用于创面覆盖的力学性能。负载阿米卡星（Ami）后，Ami@PGBP水凝胶在体外对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）表现出显著抗菌活性，同时具有持续释药特征。此外，PGBP可显著增强RAW 264.7细胞的抗氧化能力，清除自由基[DPPH、ABTS和•OH]，降低促炎性细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α的表达，并促进共培养RAW264.7与C166细胞的迁移。在小鼠全层感染性创面模型中，Ami@PGBP处理可加速创面闭合，促进再上皮化与胶原沉积，增强皮肤附属器再生，并显著下调局部及全身炎症标志物。体内生物安全性评价证实，该水凝胶具有良好生物相容性，并可在15 d内完全生物降解，且未观察到不良反应。因此，Ami@PGBP作为一种多功能、安全且有效的感染性创面管理敷料，展现出较大的应用潜力。
本文发表于《MedComm – Biomaterials and Applications》，聚焦感染性创面治疗中“抗菌、抗氧化、抗炎与组织再生”难以兼顾的关键问题。皮肤作为机体最外层屏障，在受切割、烧伤、手术感染及慢性溃疡等因素损伤后，常进入复杂而漫长的修复过程。原文指出，细菌感染、活性氧（ROS，reactive oxygen species，活性氧）过量累积以及修复细胞功能障碍，是导致创面愈合延迟、瘢痕形成与功能恢复不全的重要原因。尤其在感染状态下，炎症反应被持续放大，过量ROS进一步损伤细胞与组织，成纤维细胞、上皮细胞和血管相关细胞的增殖迁移能力受抑，最终阻碍高质量修复。因此，开发兼具局部控菌能力、微环境调控能力和良好生物安全性的创面敷料，具有明确的临床需求。
针对上述问题，研究人员构建了一种以γ-聚谷氨酸（γ-PGA）为骨架、以4-arm-PEG-SH为交联组分的可注射原位成胶水凝胶体系PGBP，并进一步负载氨基糖苷类抗生素阿米卡星（Ami）制得Ami@PGBP。该设计的核心思想并非仅将水凝胶作为被动药物载体，而是使材料本身参与治疗：一方面，Ami提供局部持续抗菌作用；另一方面，PGA相关骨架赋予体系保湿、抗氧化、抗炎和促进修复细胞行为的能力。研究表明，该体系可在温和生理条件下快速成胶，适配不规则创面，维持湿润环境，持续释放Ami并调控创面氧化炎症微环境，从而协同加速感染创面的结构与功能修复。
本研究主要采用以下关键技术方法：首先，通过酰胺化反应合成γ-PGA接枝MHB的中间聚合物PGB，并经Michael加成反应与4-arm-PEG-SH构建PGBP水凝胶；随后利用
1H NMR、热重分析（TGA）及扫描电子显微镜（SEM）进行结构与形貌表征，结合流变学、溶胀/保水、溶血和释药实验评价材料理化性质。体外部分采用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行抗菌、抗生物被膜和抑菌圈实验；采用RAW 264.7、C166和L929细胞进行细胞毒性、抗氧化、炎症因子检测及迁移实验。体内部分采用BALB/cJGpt小鼠背部全层金黄色葡萄球菌感染创面模型（n=6/组），开展创面愈合、组织学、炎症与生物安全性评价。
2.1 Fabrication and Characterization of Hydrogels
研究人员首先完成PGBP的构建与基础表征。以PGA为基础材料，与MHB发生酰胺化反应得到PGB；
1H NMR显示2.0–4.5 ppm处保留PGA特征质子峰，5.0–6.0 ppm出现MHB双键质子峰，证明MHB已成功接枝至PGA链上。TGA结果显示PGB与PGA在热分解区间上存在明显差异，从热稳定性角度进一步支持PGB成功合成。随后，PGB与4-arm-PEG-SH经Michael加成在37°C、30 min条件下原位成胶形成PGBP。SEM观察显示该水凝胶具有完整三维多孔网络，平均孔径为31.82 ± 15.71 μm，平均孔隙率为38.89 ± 9.62%，提示其具备物质交换和保湿基础。功能上，PGBP在pH 6.8与pH 7.4条件下24 h均可达到高溶胀平衡，最大溶胀率分别为499.10 ± 128.54%和486.97 ± 71.16%；并在25°C与37°C下表现出差异性保水行为。溶血实验未见红细胞溶血，说明其具有良好血液相容性。流变学显示储能模量G’高于损耗模量G”，在低于50%剪切应变时保持稳定凝胶态，超过50%后网络被破坏，说明其兼具覆盖支撑和一定抗机械扰动能力。Ami释放实验显示，Ami@PGBP在前12 h累积释放超过20%，后续可持续释放至156 h，累积释放量35.1 ± 0.5%。Korsmeyer–Peppas模型拟合得n=0.1852，提示释放主要受拟Fick扩散控制，结合作者分析，药物与网络间较强静电相互作用有助于其稳定滞留与缓释。该部分结果表明，PGBP兼具原位成胶性、适宜微结构、良好相容性和控释潜力。
2.2 In Vitro Antibacterial Activity
在体外抗菌评估中，研究人员重点验证Ami负载后体系对感染相关常见菌的抑制效果。结果显示，不含药的PGBP本身无明显抗菌活性，而Ami@PGBP对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出显著抑菌能力。刃天青（resazurin）染色中，Ami@PGBP处理后细菌维持深蓝色，提示细菌代谢受抑；平板涂布实验中，Ami与Ami@PGBP组菌落数最低；活/死菌染色中，这两组红色死亡菌明显增多。进一步的抗生物被膜实验与抑菌圈实验表明，Ami@PGBP的抗生物被膜效果与游离Ami相当，差异无统计学意义。值得注意的是，依据体外释放数据，24 h时水凝胶中Ami仅累积释放26.43%，但已达到与全剂量游离药相近的治疗效应，说明局部缓释策略提高了药物利用效率。即使在标准剂量的1/4条件下，Ami@PGBP仍保持持续抑菌能力，体现出减少用药负担和降低系统毒性的潜在优势。
2.3 In Vitro Antioxidant Activity
针对感染创面中氧化应激失衡问题，研究人员系统评价了PGBP及Ami@PGBP的体外抗氧化活性。首先，PGBP和Ami@PGBP对RAW 264.7、C166和L929细胞的存活率均超过90%，提示材料细胞毒性低。随后，RAW 264.7细胞实验显示，PGBP对•OH自由基清除率达99.0 ± 2.0%，并显著提高DPPH与ABTS自由基清除能力。JC-1线粒体膜电位检测表明，PGBP和Ami@PGBP可恢复RAW 264.7细胞线粒体膜电位；在L929和C166细胞中亦可缓解LPS诱导的线粒体功能异常。流式细胞术结果进一步证实，PGBP可显著降低LPS诱导的细胞内ROS水平。此外，抗氧化相关酶CAT、GPX和SOD活性改善，MDA水平变化亦支持其增强细胞抗氧化防御。与此同时，PGBP显著降低IL-1β、IL-6和TNF-α表达，说明其不仅具有自由基清除能力，还能缓解炎症反应，为组织修复提供有利微环境。
2.4 Cell Migration Analysis
细胞迁移是创面修复增殖阶段与再生阶段的重要前提。研究人员建立RAW264.7与C166共培养模型，以模拟创面微环境中免疫细胞与内皮细胞相互作用。在LPS刺激下，该共培养体系迁移明显减慢，平均迁移率为54.7 ± 3.8%；而PGBP和Ami@PGBP处理后迁移率分别提高至84.7 ± 2.8%和74.7 ± 3.9%。对L929成纤维细胞的划痕实验结果显示，PGBP与Ami@PGBP组48 h迁移率分别达86.7 ± 5.2%和81.7 ± 10.1%，均显著高于对照。纵向迁移实验同样观察到PGBP和Ami@PGBP组迁移细胞数增加。细胞骨架染色进一步显示，C166与L929细胞在PGBP作用下出现与迁移增强一致的形态学改变。该部分结果说明，PGBP不仅改善炎症氧化环境，还能促进内皮细胞与成纤维细胞等修复相关细胞迁移，为创面闭合与组织重建提供细胞学基础。
2.5 In Vivo Infected Wound Healing Assessment
在BALB/cJGpt小鼠背部全层感染创面模型中，研究人员验证了Ami@PGBP的综合治疗效果。宏观观察显示，各组创面均随时间收缩，但Ami@PGBP组愈合最为显著；至第14天，其平均创面闭合率达到93.5 ± 4.3%，显著优于对照组。第8天取材后，H&E和Masson染色显示Ami@PGBP可促进组织再生与胶原沉积。RT-qPCR与ELISA结果显示，Ami@PGBP组皮肤组织及血液中IL-1β、TNF-α和IL-6表达最低，提示其同时抑制局部与全身炎症反应。皮肤组织中GPX、SOD、MDA和CAT等抗氧化相关指标的改善也支持其在体内调控氧化应激。组织学进一步观察到Ami@PGBP组毛囊再生及部分汗腺结构恢复，这一点具有重要意义，因为皮肤附属器再生是功能性修复而非单纯瘢痕修复的体现。与此同时，创面细菌负荷检测证实Ami@PGBP可显著降低感染部位细菌数量。综上，Ami@PGBP通过抗菌、抗炎、抗氧化与促再生等多重机制共同促进感染创面的高质量愈合。
2.6 In Vivo Biosafety Assessment
在体内安全性方面，PGBP于15 d内可完全降解吸收，且对小鼠体重无明显影响，器官系数处于正常范围。肝功能相关生化指标丙氨酸氨基转移酶（ALT）和天冬氨酸氨基转移酶（AST）保持正常，提示未见明显肝毒性。血常规指标亦无显著异常，说明材料血液学安全性良好。心、肝、脾、肺、肾等主要脏器H&E染色未见毒性或病理损伤，注射部位皮肤与肌肉组织亦无明显炎症和组织破坏。该结果证明PGBP具有良好的体内相容性和可降解性，为其创面应用提供了安全依据。
讨论部分总结
讨论部分围绕材料构建逻辑、释放行为、生物学功能与临床转化价值展开。研究人员认为，PGBP在37°C、30 min的温和条件下完成成胶，避免了紫外光交联或有毒交联剂引发的细胞损伤和药物失活问题，这一点有利于临床转化。其三维多孔网络、高溶胀与保水特性可支持营养交换、维持湿性愈合环境并适应感染创面轻度酸性微环境。Ami释放呈现“前期快速释放+后期持续释放”的双相模式，既满足早期控菌需求，也可维持后续局部药效。作者还指出，虽然体外释放终点仍有部分药物残留，但体内降解实验已证明水凝胶可在15 d内近乎完全生物降解，因此体内释药可伴随网络解体和基质侵蚀持续进行。生物学上，Ami@PGBP对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出持续而有效的抗菌作用，同时PGBP本身可清除自由基、降低细胞内ROS、改善线粒体功能、上调抗氧化酶活性并抑制促炎因子表达。再结合对内皮细胞和成纤维细胞迁移的促进作用，这些效应共同构成感染创面修复所需的综合微环境调控。体内结果则进一步证明，该体系不仅加快创面闭合，还促进再上皮化、胶原沉积及皮肤附属器再生，并具备良好生物安全性。作者同时指出，本研究尚未针对不同临床场景进一步优化释药动力学，且其在糖尿病足溃疡、静脉性下肢溃疡等慢性难愈创面中的表现仍待验证。
研究结论部分翻译
本研究开发了一种基于PGA的水凝胶（PGBP），可实现良好的局部抗菌活性、抗氧化能力及促创面愈合作用。该PGBP水凝胶具有优异的保水性、溶胀性能、缓释特性和抗氧化活性，并可促进细胞迁移。尤其是，Ami@PGBP不仅表现出较强的抗菌性能，而且避免了大剂量Ami给药可能导致的肾毒性和听力损伤。进一步研究发现，PGBP可有效缓解氧化应激、促进细胞迁移并加速创面愈合。Ami@PGBP整合了抗菌、抗炎、抗氧化及促进创面愈合等多重效应，为皮肤损伤治疗提供了一种创新策略。鉴于其制备简便、功能集成、综合性能优良及药物可控释放等特点，PGBP具有重要的临床应用潜力。
