《Adv. Sci.》中山大学李卫昌/滕伟/王焱、华工于倩倩：新型生物响应性水凝胶系统！
高分子材料科学
2025-05-09 08:49
发布于广东
科技领域创作者
感染性组织损伤会因细菌感染和抗生素耐药性而加剧，给治疗带来重大挑战，并可能导致危及生命的全身性感染。
2025 年 4 月 28 日，中山大学李卫昌、滕伟、王焱及华南理工大学于倩倩共同通讯在
Advanced Science
在线发表题为
“
A Bio-Responsive Hydrogel with Spatially Heterogeneous Structure for Treating Infectious Tissue Injuries
”
的研究论文。
该研究开发了一种生物响应性水凝胶系统，该系统利用包裹在普雷斯勒型多金属氧酸盐 (POM) 中的银离子 (Ag⁺)。银离子会响应生物环境中的内源性钠离子 (Na⁺) 选择性释放，从而实现广谱抗菌活性。
POM 作为Ag⁺的保护基质，在保持其生物活性的同时，减轻细胞毒性和因长期暴露而导致的抗菌效果降低。此外，研究者采用双通道技术制备具有可控且连续堆叠化学成分的纤维膜，确保通过纤维基质中的氢键高效均匀地掺入 POM。随后，通过原位分级交联工艺生成了一种具有多尺度互穿网络结构的空间异质水凝胶。这种差异化的微结构有利于控制多种治疗成分的装载和释放。同时，生物活性外泌体被整合到水凝胶中，进一步增强了其治疗感染性组织损伤的再生潜力。
体外和体内实验表明，该先进的水凝胶系统为应对感染性组织损伤相关的挑战提供了一个可行且高效的平台，并有望成为一种有前景的临床应用策略。
感染性组织损伤的治疗是一项重大的医学挑战，因为细菌感染会延迟修复、加剧损伤并导致组织坏死。
严重的感染可能升级为全身并发症，危及生命。抗生素虽然被广泛使用，但由于耐药性病原体的迅速出现，其疗效日益下降。因此，治疗感染性组织损伤已成为一个漫长而艰巨的过程，并带来了巨大的经济和社会负担。尽管感染管理取得了令人鼓舞的进展，但在抗菌疗效、感染控制、免疫调节和组织再生之间取得平衡仍然困难重重。
因此，开发有效的感染性组织损伤治疗策略仍然是生物医学领域的一项关键挑战。
膜、海绵、支架、纤维和水凝胶等生物材料是组织修复的常用平台。
水凝胶尤其具有吸引力，因为它们具有三维聚合物网络，可以模拟细胞外基质，并为组织再生提供支持性微环境。水凝胶具有可调的特性，能够整合其固有的生物功能，以满足多样化的治疗需求。然而，传统水凝胶的聚合物网络一旦被破坏，往往会面临结构完整性问题，从而损害其功能。
此外，其亲水基质对疏水性药物的包封效率低，且释放动力学不受控制，从而降低了治疗效果。为了突破这些局限性，需要开发新型水凝胶结构，以满足不断发展的生物医学需求。
设计的生物响应水凝胶系统示意图（图源自
Advanced Science
）
水凝胶主要用作覆盖物、支撑物和屏障，用于治疗感染性组织损伤。
然而，与功能性药物或生物活性成分的协同作用对于满足复杂的治疗需求至关重要。传统方法通常涉及抗生素或载药材料，但抗生素的过度使用导致了多重耐药性和副作用，限制了其疗效。具有广谱抗菌活性的银 (Ag) 已成为一种有效的替代品。然而，银在高浓度下的细胞毒性及其在生理环境中聚集而导致的抗菌效果降
低仍然是一项重大挑战。因此，对银的有效保护和精确的释放控制对其治疗潜力至关重要。多金属氧酸盐 (POM)，一种离散且结构明确的氧化物簇，提供了一种有前景的解决方案。POM 具有多样的形貌和功能特性，包括有利于离子传导、交换和分离的纳米级空腔和通道。它们的表面羟基和氧配体，加上高电荷密度，为与生物分子和材料的相互作用提供了机会。
这些特性使多金属氧化物半导体 (POM) 能够与生物材料协同作用，用于治疗应用。
本研究将银离子 (Ag⁺) 封装于 Preyssler 型磷钨酸盐 ([MP₅W₃₀O₁₁₀](15−n)−) 中，形成纳米级 AgP₅W₃₀ 簇。
这些簇表现出生物响应行为，可响应生物环境中内源性钠离子 (Na⁺) 选择性释放 Ag⁺ 离子。这种 Na⁺ 诱导的释放机制确保了其可控且有效的抗菌作用。为了稳定 AgP₅W₃₀ 簇，我们采用了富含羟基的聚合物聚乙烯醇 (PVA)，利用氢键和静电相互作用来防止聚集并保持抗菌功效。为了应对感染性组织损伤治疗的临床挑战，我们开发了一种空间异质性水凝胶系统（图1）。该系统由预成型的PVA纤维和甲基丙烯酸酯化明胶（GelMa）纤维堆叠而成，并进行原位交联，形成独特的三维网络结构。这种空间异质性结构有利于药物均匀分散，增强结构完整性，并克服了传统水凝胶系统易发生网络坍塌的局限性。AgP₅W₃₀簇稳定地整合到PVA纤维中，确保了其持续的抗菌功能，同时整合了生物活性外泌体以促进组织再生。全面的体外和体内评估揭示了该水凝胶的生物响应多功能性，展现了其对抗细菌感染和促进软硬组织损伤修复的能力。
这种创新方法为感染性组织损伤的治疗提供了一个有前景且高效的治疗平台。
参考消息：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202500088
来源：iNature