以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications

英文原题：All-natural Injectable Antibacterial Hydrogel Enabled by Chitosan and Borneol

通讯作者：Yunfeng Yi (易云峰), Yuping Wei (魏玉萍), Yong Wang (王勇)

作者：Zhijie Zhao (赵志杰), Xiao Fan (樊晓), Xinyu Li (李新宇), Yuwei Qiu (邱昱伟), Yunfeng Yi* (易云峰), Yuping Wei* (魏玉萍), Yong Wang* (王勇)

背景介绍

抗菌水凝胶能有效抑制细菌感染是生物材料研究的焦点之一。现有的抗菌水凝胶分三类：含金属纳米颗粒水凝胶、含抗生素水凝胶和具有固有抗菌活性的水凝胶。其中，具有固有抗菌活性的水凝胶是近年来发展起来的新型抗菌材料，几乎没有副作用，因而备受关注。例如，源自动植物组织细胞的抗菌肽基于与膜结合导致细菌破坏的作用机制，具有较强的的广谱抗菌活性。然而，肽的结构变化性、高昂的费用以及可能的组织毒性问题限制了其临床应用。天然抗菌聚合物特别是带正电荷的壳聚糖，可以接触并插入带负电荷的细菌膜，使其细胞破裂以达到杀菌的目的，是一种潜在的抗菌材料。然而从长远来看，其有限的抗菌效率不能满足抗菌需求。因此，若能将天然抗菌剂与天然抗菌聚合物壳聚糖结合，通过其协同的抗菌作用机制设计并开发出一种全天然抗菌水凝胶是提高其抗菌性能并解决耐抗生素细菌感染的有效途径之一。

文章亮点

1.将三种构型的冰片化学接枝到亲水性葡聚糖上以提高其抗菌活性。

2.将冰片官能化的葡聚糖衍生物进一步醛化与羧甲基壳聚糖通过席夫碱键进行共价交联，合成全天然抗菌水凝胶。

3.亲水改性的冰片与羧甲基壳聚糖的铵根离子的协同作用使水凝胶在24小时内完全抑制了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。

图文解读

三种构型的冰片（DB、LB和IB）通过两步酯化反应成功地结合到右旋糖酐的侧链上。图1是马来酸酐-冰片（MALB/MADB/MAIB），葡聚糖-马来酸酐-冰片（DMALB/DMADB/DMAIB）， 醛化葡聚糖-马来酸酐-冰片（DADMALB/DADMADB/DADDMAIB），以及醛化葡聚糖冰片与羧甲基壳聚糖通过席夫碱交联形成水凝胶的示意图。

图1. 醛化葡聚糖冰片的制备以及与羧甲基壳聚糖形成水凝胶的示意图

通过平板计数法研究了水凝胶对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性（图2）。如图2所示，不含冰片的DCH对E. coli和S. aureus有一定的抑制作用，抑菌率分别为50%和38%。该抗菌机理可理解为壳聚糖的正电铵离子和负电细菌外膜之间的静电力使壳聚糖链插入细菌中，使其裂解。特别是羧甲基壳聚糖中的-COOH基团促进了带正电荷的铵离子的产生，使其具有高的正电荷密度和高的抗菌活性。冰片经葡聚糖功能化后，DDCH、LDCH和IDCH对E. coli的抗菌率分别为99.3%、99.6%和97.5%，对S. aureus的抗菌率分别达到99.5%、100%和99.0%。亲水改性的冰片基团赋予了这些水凝胶通过膜破坏机制抑制微生物生长。实际上，水凝胶协同亲水改性的冰片和羧甲基壳聚糖的正电铵离子实现了持续而彻底的抗菌效果。

为了进一步研究水凝胶的抑菌过程，通过600 nm处的光度值分析了微生物生长。图2d、e显示了抗菌水凝胶处理下E. coli和S. aureus的24小时期间生长趋势。在对照组中，两种微生物菌株的OD600值随着培养时间的延长而迅速增加。DCH在4小时后也表现出与对照组相似的趋势，表明DCH对持续抑制E. coli和S. aureus生长无效。而DDCH、LDCH和IDCH在24小时内完全阻碍了E. coli和S. aureus的生长。实验证明，这些含有DB、LB、IB的水凝胶对细菌生长具有显著的抑制作用，这与上述结论一致。

图2. 水凝胶样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性

总结与展望

通过天然冰片接枝葡聚糖双醛化后与羧甲基壳聚糖的席夫碱交联设计并合成了系列全天然可注射抗菌水凝胶。葡聚糖亲水性改性的冰片和羧甲基壳聚糖的铵根离子的协同抗菌作用使水凝胶在24小时内完全抑制了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。该可注射抗菌水凝胶具有良好的生物相容性，体温成胶并可用于不规则感染伤口，在伤口愈合中具有巨大的应用前景。

通讯作者信息

厦门大学医学院第九〇九医院易云峰主任，天津大学理学院化学系魏玉萍教授和王勇教授为通讯作者。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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