多伦多大学《材料化学》3D打印铁螯合碳点传感的抗菌水凝胶敷料

来源：Macromolecule

【科学背景】

皮肤可作为抵抗外源病原体的屏障，同时保留体液及其隔热作用。伤害，烧伤或溃疡破坏了这种保护机制，并为传染性病原体的进入提供了途径。伤口敷料是医疗和药物伤口治疗的关键部分。尽管其主要作用是保持伤口湿润，但除了降低治疗成本外，还需要改善伤口愈合过程的伤口敷料。

先进的伤口敷料经过精心设计，可释放抗菌剂或生长因子，加速伤口闭合，或感知并监测伤口状态的变化。伤口敷料材料的适当选择还影响预期功能。例如，pH响应或温度响应材料已用于局部释放负载在敷料中的特定生物活性剂。功能性生物激发刺激响应水凝胶材料报告了伤口的pH值，温度或毒素的变化。

抗菌伤口敷料可降低感染风险，从而改善愈合过程并减少敷料更换频率。与口服或静脉注射抗菌药物相比，使用抗菌剂进行局部伤口治疗的危害较小，在抗生素治疗中，高剂量的抗生素可能引起副作用。伤口敷料中常见的抗菌剂包括抗菌药物，肽或纳米颗粒。被动释放抗菌剂面临的挑战是其不受监管的给药方式。此外，对这些药剂具有抗性的细菌是新出现的问题。由于广泛使用抗生素，耐多药病原体众所周知在医院和社区之间扩散，异质性和毒力不断提高。例如，糖尿病足感染表现出对常用抗生素例如青霉素家族的抗性。因此，需要新型的抗菌伤口敷料以最小化耐药性的风险。

【科研摘要】

最近，加拿大多伦多大学Eugenia Kumacheva教授团队报告了一种利用具有强大的Fe3+离子螯合能力的纳米胶体水凝胶来抗菌伤口敷料的新方法，从而使细菌失去了急需的离子铁并抑制了细菌的生长。相关论文Nanocolloidal Hydrogel with Sensing and Antibacterial Activities Governed by Iron Ion Sequestration发表在《Chemistry of Materials》上。水凝胶衍生自装饰有碳点（C-dot/CNCs）的纤维素纳米晶体。纳米原纤维水凝胶吸收Fe3+离子后，由于离子在C点表面的吸附，水凝胶的光致发光被淬灭，从而报道了离子铁从介质中的去除。水凝胶抑制了耐药性革兰氏阴性大肠杆菌，铜绿假单胞菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的生长，并且对人成纤维细胞无细胞毒性。伤口敷料很容易使用三维（3D）打印制造。水凝胶抗菌性能的新机制，其传感能力，生物相容性以及3D打印伤口敷料贴片的能力使其成为制造高级伤口敷料的非常有前途的材料。

【图文解析】

1.抗菌水凝胶制备示意图

作者报告的是一种抗菌双功能水凝胶，该双功能水凝胶在液体环境中表现出较高的Fe3+离子隔离度，从而显着降低了这些离子对细菌生长的可用性。图1说明了水凝胶，它是通过醛改性的纤维素纳米晶体（CNC）与载有氮掺杂的碳点（C-dots）和明胶的共价交联形成的，这种凝胶剥夺了伤口上的病原体偏爱的离子铁。在该后面，组织将此水凝胶称为C-dot/EKGel。此外，当Fe3+离子被水凝胶吸收时，C点光致发光（PL）被淬灭，因此除了具有抗菌活性外，还提供了敷料的传感能力。作为对照系统，作者使用了醛改性纤维素纳米晶体和明胶（EKGel）交联形成的水凝胶。

图1. C-dot/EKGel作为伤口敷料的示意图，该敷料剥夺了有利于细菌生长的Fe3+离子。螯合后，由于Fe3+离子吸附到C点表面，水凝胶荧光减弱。

2.水凝胶结构和荧光性能表征

图2a（顶部）示意性地说明了使用乙二胺和硼酸作为前体试剂在CNC表面上氮掺杂C点的合成。通过6 h回流反应合成杂化C-dot/CNC纳米颗粒（参见 实验部分）。图2b显示了C-dot/CNC的代表性透射电子显微镜（TEM）图像。使用CNC作为前驱体和C点合成的底物，可以得到分离良好的C点。在回流反应下，通过在CNCs（用作碳源）表面上的纤维素部分的转化而形成的C点。图2c显示了C-dot/CNC纳米颗粒的水悬浮液的消光和光致发光（PL）光谱。图2c中的插图显示了C-dot/CNC悬浮液在白光和紫外光照射下的照片。

图2.（a）醛修饰的C-dot / CNC和明胶通过席夫碱反应形成C-dot/CNC杂化纳米粒子的示意图（上）和C-dot / EKGel的形成（下图）。（b）C-dot/CNC纳米颗粒的TEM显微照片。图像中心显示的区域被放大并显示在插图图像中。（c）C-dot/CNCs的水悬浮液的消光和光致发光光谱，λex= 380 nm。插图显示了C-dot/CNC悬浮液在白光（左）和UV光照射（右）下的照片。（d）在加入6mM的金属盐溶液，λexc＝ 380nm后，对C-dot/CNC的水悬浮液进行光致发光猝灭。（e）在冷冻干燥之前在室温下老化24小时的C-dot/EKGel的扫描电子显微镜图像。（f）C-dot/EKGel在37°C下的流变特性随时间的变化。（g）C-dot/EKGel溶胀度的时间变化。

接下来，作者探索了C-dot/EKGel从FeCl3溶液中吸收Fe3+离子的过程。将体积为1 cm3的C-dot/EKGel在2 mL FeCl3溶液中孵育24小时。随后，使用感应耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）确定了该溶液中Fe3+离子的螯合。图3a显示了水凝胶的平衡吸附容量qeq，该值由每1 g干燥的C-dot/EKGel从FeCl3溶液中去除的Fe3+离子的质量确定，并作为初始Fe3+离子浓度Ci的函数绘制。随着Ci从0.2增加到5.6 mg mL-1，qeq值从9.9改变为46.6 mg g-1，因此增加了4.7倍。图3a中每个条形图中显示的数字表示从FeCl3溶液中螯合的Fe3+离子的比例。图3c显示了醛修饰的CNC和明胶（EKGel）和C-dot/EKGel衍生的水凝胶的平衡吸附容量之间的比较。接着，作者探索了在含有各种浓度的Fe3+离子的溶液中C-dot/EKGel的PL猝灭。图3d中的插图显示了水凝胶在365 nm的紫外线照射下（左）和在Ci = 5.6 mg mL-1的FeCl3溶液中孵育1小时后的照片（右）。图3d显示了PL强度I/I0的降低，其中I和I0是在Fe3+离子浓度范围为0.006≤Ci≤56mg mL-1的溶液中温育2 h后在465 nm处水凝胶的PL强度。

3.水凝胶细胞相容性测试

图4a显示在对照系统中和在C-dot/EKGel涂层表面上生长的成纤维细胞附着在表面上，并具有典型的纺锤状形态，具有从细胞极延伸的圆形核。与对照系统相似，在C-dot / EKGel上培养的成纤维细胞没有表现出从细长到椭圆/圆形的变化，也没有显示出所谓的星状表型的多个突起。作者得出的结论是，C-dot/EKGel不会损害人类细胞的活力，并保留了伤口愈合所需的生理活性。

图4.在对照（a）和C-dot/EKGel包被的表面（b）上培养的成纤维细胞的光学显微镜图像。（c）在C-dot/EKGel上生长72小时后，人皮肤成纤维细胞的活力。

4.水凝胶抗菌性能测试

上述三种细菌是伤口表面的典型病原体。将C-dot/EKGel浸入培养基中后，在24小时后，细菌菌株的生长受到抑制（图5a）。从数量上讲，包含铜绿假单胞菌，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的样品的细菌菌落形成单位（CFU）数量分别减少了3（减少66％），2（减少50％）和3（ 减少66％）（图5b）。作者还检查了EKGel的抗菌特性（图5c），因为这种水凝胶还可以螯合Fe3+离子。对于所有细菌菌株，与对照样品相比，观察到细菌生长受到抑制（图5c）；但是，效果比C-dot/EKGel弱。更具体地，在EKGel的情况下，大肠杆菌的生长减少了38％，而对于金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，分别减少了46％和53％。在图5d中的表格中总结了这两种凝胶的抗菌性能的比较。

图5.C-dot/EKGel对三种不同细菌菌株，即铜绿假单胞菌，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。

5.3D打印水凝胶

最后，作者使用CellInk BIO X 3D打印机探索了在3M Tegaderm薄膜上挤出C-dot/EKGel伤口敷料（贴片）的功能，该薄膜用于覆盖和保护伤口（图6a）。通过在37°C下混合C-dot/CNC悬浮液和明胶溶液并在22°C下挤出，来制备用于3D打印的“油墨”。由于油墨和基材之间的温差（明胶的溶胶-凝胶转变为24–30°C（63-65））以及C点醛基之间的席夫碱反应，悬浮液迅速发生凝胶化/CNC和明胶的胺基。

图6. 3D打印的C-dot/EKGel伤口敷料。

图6b，c分别示出了刚在白光和紫外光（360nm）照射下印刷后的挤出的C-dot/EKGel片材。将C-dot/EKGel敷料暴露于模拟体液的液体中24小时后（Dulbecco改良的Eagle培养基（DMEM）和磷酸盐缓冲盐水（PBS）的混合物，添加浓度为5μgmL-1的FeCl3），由于Fe3+离子吸附到C点表面，水凝胶PL的发射强度显着降低（图6d）。由于在低Fe3+环境（例如伤口）中，离子吸附是缓慢且缓慢的，因此C-dot/EKGel板的PL发射的猝灭提供了评估从伤口吸收Fe3+离子的能力，而无需进行不必要的敷料更换 会破坏伤口修复并引起疼痛。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03362