近年来，利用许多材料和合成技术制备的纳米水凝胶作为药物载体被进行了广泛的研究。它们是最通用的纳米载体，具有将3D基质材料的特性与纳米颗粒的特性相结合的独特能力 。此外，纳米凝胶因其高保水能力、出色的细胞相容性，在生物传感、软组织工程、伤口敷料和药物递送等生物医学领域得到了广泛的研究。两性离子聚合物是新一代防污材料，其独特的结构促进了它们在生物医学领域的应用。由于此，两性离子装饰的天然聚合物在不同疾病的靶向医疗中越来越受到关注。
壳聚糖（CS）在伤口敷料中具有重要的应用潜力，但其水溶性较差，限制了其应用。作者推出了可喷涂的纳米凝胶，ZC-CSNG（两性离子修饰的壳聚糖基希夫碱交联纳米凝胶），它是多功能的，专为生物医学用途而设计。这些纳米凝胶由壳聚糖与戊二醛（GA）交联形成三维网络，并结合了亲水性磺胺甜菜碱和抗氧化剂对香豆酸的功能。这种设计提高了单个水凝胶颗粒系统的溶解度、蛋白质防污效率、抗菌活性和抗活性氧（ROS）性能。
图1.纳米凝胶的设计及其在伤口护理治疗中的应用。
可喷涂纳米凝胶，可实现多功能伤口护理管理。两性离子修饰的壳聚糖纳米凝胶的增强生物相容性。由于掺入磺基甜菜碱和对香豆酸，抗氧化和抗菌能力增强，有助于加速伤口闭合并减少炎症（图1）。
图2.天然CS和修饰后CS的结构表征。
CS、Z-CS和ZC-CS的ATR FTIR光谱显示出与巯基甜菜碱官能团相关的两个波段：1468 cm−1的波段对应于–N(CH+3)2–的弯曲，728 cm−1的波段由于S–C的拉伸。在固相中，CS是一种半结晶聚合物，XRD图谱中2θ值为10.12°和19.95°的峰值证明了这一点（图2）。
图3.纳米凝胶的合成和表征。
交联反应由FTIR显示，希夫基线出现在1652 cm−1处，与两性离子和p-CA功能相关的线条位于1468 cm−1处，1156 cm−1和1513 cm−1都完好无损。凝胶化后，记录CSNG-1和ZC-CSNG-1制备过程中的总光散射为I173°。由于I173°~cMw和聚合物浓度恒定，I173°代表颗粒的分子量，我们得出结论，反应在3小时后结束。CS-NG和ZC-CSNG的TEM图像显示其均为球形形貌（图3）。
图4.纳米凝胶的抗氧化和抗ROS功效。
T使用各种方法评估ZC-CSNG抗ROS功效：系统中存在的总抗氧化剂；ROS清除活性；还原功率测定。酚类化合物的抗氧化性能已得到充分证实。纳米凝胶对铁氰化物的还原能力与自由基清除能力相似。羟基自由基是最具侵袭性的ROS之一，作者直接测试了ZC-CSNG对CSNG的活性。总之，p-CA的引入大大增强了纳米凝胶的抗氧化和抗ROS功效。纳米凝胶结构不会削弱这种效果（图4）。
图5.纳米凝胶的细胞活力和蛋白质防污功效。
在未处理的代谢活性HDF细胞（阴性对照）中，观察到鲜艳的绿色荧光，与暴露于ZC-CSNG或CSNG条件培养基的细胞非常相似。此外，细胞形态保持相似，表明细胞死亡最少。在细胞培养基中孵育纳米凝胶后，利用条件培养基进行活力测试。两种纳米凝胶都表现出强大的细胞活力，约为85%。图5D显示出蛋白质对CSNG的大量吸收，对ZC-CSNG的吸收要少得多，在盐溶液中的吸收甚至更少，这表明纳米凝胶在生理盐溶液中具有优异的生物防污能力（图5）。
图6.纳米凝胶的体外伤口愈合、抗炎和抗菌功效。
2D伤口划痕模型用于评估体外伤口愈合。24小时时，ZC-CSNG治疗导致划痕区域减少了50%，相当于伤口愈合率为50%。到48小时，ZC-CSNG处理的细胞中的划痕面积进一步减少到20%，表明愈合率为80%，明显优于CSNG。这些结果清楚地证明了ZC-CSNG在加速伤口愈合方面的卓越功效，增强了其作为高级伤口敷料材料的潜力。天然存在的酚类成分具有抗菌特性，含有p-CA的纳米凝胶对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌等革兰氏阳性菌显示出很强的抑制作用（图6）。
图7.用不同浓度的纳米凝胶处理的细菌的扫描电子显微镜。
经p-CA纳米凝胶处理过的细菌膜变得更加多孔，两种细菌种类都发生了明显的变化，这表明细菌膜受损（图7）。
作者对壳聚糖（CS）聚合物衍生的可喷涂纳米凝胶的研究，证明了它们比传统伤口敷料的优越性。磺胺甜菜碱和对香豆酸的结合增强了抗氧化和抗菌性能，促进加速伤口愈合和减少炎症。这些纳米凝胶具有多功能特性，包括防污和抗活性氧作用，确保伤口护理管理的多功能性。这种合成方法被证明是可扩展的，可以产生稳定的（大约28天），易于喷洒的纳米水凝胶，具有持久的功效。体外研究证实增强细胞增殖、迁移和强大的抗氧化能力。研究结果证明基于CS的纳米凝胶可作为有前途的，环保的伤口护理解决方案，推进细菌污染的药物输送系统。
近期，该研究成果以“Cost-effective and eco-friendly sprayable nanogels (ZC-CSNG) for multifunctional wound dressing applications”为题发表于学术期刊《Chemical Engineering Journal》，论文第一作者为Suman Basak，通讯作者为丹麦技术大学的Kristoffer Almdal。
撰稿人：王平
审稿人：张志成
论文全文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158312
抗菌抗污材料前沿
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