GelMA，即甲基丙烯酸明胶（Gelatine Methacryloyl），是一种由明胶（Gelatin）衍生的高分子材料，通过引入甲基丙烯酸基团（Methacryloyl groups）使其具有光敏性，可以通过光引发聚合反应形成水凝胶。GelMA因其独特的生物相容性、生物可降解性和力学性能，被广泛应用于多个领域。
在本研究中，北京师范大学彭绍军、郭众联合四川大学邓怡团队利用GelMA制备一种新型的荧光微针治疗诊断贴片（Mn: C/G@MN），它被设计用于裸眼监测和按需光疗治疗细菌生物膜感染。相关内容以“Fluorescent Microneedle-Based Theranostic Patch for aked-Eye Monitoring and On-Demand Photo-Therapy of acterial Biofilm Infections”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。
1.主要内容
图1 Mn: CDs的化学动力学、光动力学和光热性质
研究人员证明了Mn: CDs在模拟生物膜环境（BMEs）中表现出显著的过氧化氢（H2O2）分解催化活性，能够产生高毒性的羟基自由基（•OH），并且能够在808 nm近红外光照射下有效提高温度，显示出良好的光热转换效率。这些特性表明Mn:CDs可以作为有效的光敏剂，用于光疗治疗细菌生物膜感染。
图2 Mn:CDs的pH赖性光致发光性能及相关机理
通过激发-发射映射和荧光发射光谱的测试，观察到随着pH值从5.0增加到7.4，Mn:CDs的荧光颜色从黄色变为绿松石色，表明其荧光行为对微环境pH条件非常敏感。此外，通过FT-IR光谱、zeta电位测试、紫外-可见光谱和荧光激发光谱的分析，确认了Mn: CDs表面官能团在不同pH值下的存在形式变化，这些变化直接影响了其荧光特性。因此，Mn: CDs可以作为一种荧光探针，用于裸眼监测生物膜感染的pH变化。
图3 微针贴片的制备与表征
通过将Mn: CDs整合到GelMA基质中，制备出的微针贴片显示出良好的柔韧性和足够的机械强度以穿刺皮肤。微针贴片在水合状态下表现出显著的膨胀能力，有助于快速吸收伤口渗出液并进行监测。此外，Mn: C/G@MN贴片在808 nm近红外光照射下展现出高效的光热转换能力，能够迅速升温至治疗温度。最后，该贴片还表现出pH依赖的荧光特性，能够通过荧光颜色变化直观监测伤口的酸碱度，从而为生物膜感染的诊断和治疗提供了一种可视化手段。
图4 生物膜根除机制探索
如图4所示，详细阐述了Mn:C/G@MN贴片在消除细菌生物膜方面的机制，通过实验验证了其对生物膜中胞外多糖、蛋白质和DNA的降解作用，以及对细菌细胞膜的破坏效果。结果显示，Mn:C/G@MN贴片在808纳米近红外光照射下，通过产生局部高温和羟基自由基（•OH）风暴，有效破坏了生物膜的胞外聚合物基质（EPS），导致生物膜解体，并进一步杀死了脱离生物膜的细菌。此外，通过检测细菌的基因组DNA（gDNA）浓度和电泳分析，进一步证实了Mn: C/G@MN贴片对细菌细胞的破坏作用，从而证明了其在生物膜感染治疗中的潜力。
图5 金黄色葡萄球菌生物膜感染性伤口小鼠模型视觉监测生物膜感染及抗生物膜活性的体内评估
通过在小鼠全层皮肤伤口模型中应用该贴片，并结合808纳米近红外光照射，实现了对感染伤口的实时监测和有效治疗。实验结果表明，Mn: C/G@MN贴片在近红外光触发下能够显著减少伤口处的细菌数量，加速伤口愈合过程，并且在整个治疗期间未观察到明显的系统毒性。此外，通过监测小鼠体重变化和血液常规指标，确认了该贴片治疗的安全性。这些结果证明了Mn: C/G@MN贴片作为一种新型的诊疗平台，在治疗细菌感染方面具有巨大的潜力。
图6 第10天不同处理后收集的创面皮肤组织组织学分析
结果显示，Mn: C/G@MN+NIR组在减轻炎症反应、加速胶原沉积、促进血管新生等方面表现最佳，这些效果通过苏木精-伊红（H&E）染色、马松三色（Masson's trichrome）染色、免疫组化（TNF-α和CD31）和免疫荧光（IL-6和VEGF）染色得到了证实。特别是，Mn: C/G@MN+NIR组显示出最少的炎症细胞浸润、最厚的上皮层形成、最多的胶原沉积、最低的TNF-α和IL-6表达以及最高的CD31和VEGF表达，表明该组在促进伤口愈合和组织再生方面具有显著效果。
2.全文总结
本文介绍了一种新型的基于荧光微针的治疗诊断贴片（Mn: C/G@MN），它结合了掺杂锰的碳点（Mn: CDs）和甲基丙烯酸明胶（GelMA），用于裸眼监测和按需光疗治疗细菌生物膜感染。该贴片利用Mn: CDs的荧光特性，能够在生物膜的酸性微环境中实现可视化监测，并通过近红外光照射产生局部高温和羟基自由基，有效破坏生物膜并杀死细菌。体内外实验结果表明，Mn: C/G@MN贴片不仅具有良好的生物相容性和生物安全性，还能促进伤口愈合和组织再生，具有在临床治疗难治性细菌生物膜感染中的潜力。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202415559
