頜面部傷口因其位置特殊，不僅具有不規(guī)則形狀，愈合后易形成疤痕，還因其豐富的筋膜間隙和疏松結(jié)締組織，易形成感染通道和細(xì)菌生物膜，導(dǎo)致廣泛的感染。傳統(tǒng)治療依賴于清創(chuàng)術(shù)聯(lián)合抗生素，但耐藥菌的出現(xiàn)，特別是耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)，極大地降低了抗生素的療效。因此，開發(fā)能夠有效殺菌、清除生物膜并促進(jìn)組織無疤痕再生的新型傷口敷料至關(guān)重要。

本研究旨在開發(fā)一種集機(jī)械強(qiáng)度、可注射性、高效抗菌與促進(jìn)愈合于一體的多功能傷口敷料。設(shè)計策略是將具有光熱和光動力性能的陽離子聚合物納米顆粒(PNPs)以及重組III型膠原蛋白(COL)整合到由兩性離子材料磺酸甜菜堿甲基丙烯酸酯(SBMA)和甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)構(gòu)成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，從而構(gòu)建出名為PNPs@COL@Gel的新型復(fù)合水凝膠。

研究者首先通過苯并二噻吩(BDT)和苯并二噻二唑(BBT)衍生物構(gòu)建共軛聚合物，經(jīng)質(zhì)子化獲得陽離子聚合物，并通過兩親性共聚物DSPE-PEG₂₀₀₀-NH₂封裝形成PNPs。表征結(jié)果顯示，PNPs粒徑分布均勻，平均粒徑約120納米，且在980納米波長處有吸收，證明其可作為NIR-II區(qū)光熱劑。表面電勢由聚合物1的-6.33 mV轉(zhuǎn)變?yōu)镻NPs的+24.43 mV，證實了陽離子化成功。PNPs在不同溶液中均展現(xiàn)出良好的粒徑和zeta電位穩(wěn)定性。

研究者以SBMA為主體，與PNPs混合，再與HEMA和重組III型膠原(COL)結(jié)合，制備出PNPs@COL@Gel水凝膠。掃描電鏡圖像顯示水凝膠具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，元素映射和能量色散X射線光譜表明III型COL和PNPs均勻分散在水凝膠中。

理想的頜面部傷口敷料需具備良好的拉伸性、壓縮性和粘附性，以適應(yīng)不規(guī)則傷口。通過引入HEMA優(yōu)化SBMA水凝膠的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HEMA與SBMA質(zhì)量比為1:1時，復(fù)合水凝膠的斷裂伸長率達(dá)到329%，斷裂應(yīng)力為0.168 MPa，同時壓縮強(qiáng)度顯著提升。添加COL和PNPs后，PNPs@COL@Gel仍保持良好的拉伸和壓縮性能。該水凝膠對塑料、金屬、玻璃等多種基材以及豬皮組織均顯示出良好的粘附性，這得益于SBMA的存在。流變學(xué)測試表明PNPs@COL@Gel網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且具有溫度敏感性，能在生理溫度下迅速成膠。此外，該水凝膠在小鼠肝臟穿刺出血模型中表現(xiàn)出優(yōu)異的體內(nèi)止血性能。

研究表明，PNPs溶液在980納米激光照射下，其升溫呈現(xiàn)濃度依賴性，濃度越高升溫越明顯。在功率密度為0.4 W/cm²時，100 μg/mL的PNPs溶液溫度可升至約51.6°C，顯示出良好的光熱效應(yīng)。這種光熱性能在循環(huán)五次后保持穩(wěn)定。當(dāng)PNPs被負(fù)載到水凝膠中形成PNPs@COL@Gel后，其光熱性能沒有衰減，光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60.73%。更重要的是，在穿透3毫米厚的雞肌肉組織后，PNPs@COL@Gel在激光照射下溫度仍能升至49.2°C，證明了其在治療深層皮膚感染傷口方面的潛力。

1O₂radical detection. (M) Mechanism of PNPs-induced PTT and PDT under NIR-II laser irradiation.">

光動力療法通過產(chǎn)生活性氧來破壞微生物。利用DPBF、ABDA等探針檢測表明，PNPs@COL@Gel在980納米激光照射下主要產(chǎn)生單線態(tài)氧(¹O₂)，而非超氧陰離子(O₂^-)或羥基自由基(OH)。電子順磁共振分析進(jìn)一步證實了單線態(tài)氧的產(chǎn)生。其機(jī)制是：PNPs吸收光子后，處于激發(fā)態(tài)的能量一部分通過非輻射弛豫轉(zhuǎn)化為熱能(產(chǎn)生PTT效應(yīng))，另一部分通過系間竄越到三重激發(fā)態(tài)，并通過能量轉(zhuǎn)移將基態(tài)氧分子(³O₂)轉(zhuǎn)化為高活性的單線態(tài)氧(¹O₂)(產(chǎn)生PDT效應(yīng))，從而實現(xiàn)了NIR-II激光激發(fā)下的PTT和PDT協(xié)同作用。

基于其優(yōu)異的光熱和光動力性能，PNPs@COL@Gel展現(xiàn)出強(qiáng)大的體外抗菌能力。使用DCFH-DA探針檢測發(fā)現(xiàn)，PNPs@COL@Gel在激光處理后，細(xì)菌內(nèi)產(chǎn)生了大量活性氧。平板計數(shù)法結(jié)果顯示，PNPs@COL@Gel在0.4 W/cm²激光照射下，對大腸桿菌(E. coli)和MRSA的殺菌率分別達(dá)到97.5%和96.9%。活死菌染色和掃描電鏡觀察均證實了該處理組對細(xì)菌結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜的嚴(yán)重破壞。結(jié)晶紫染色實驗進(jìn)一步證明，PNPs@COL@Gel + 0.4 W/cm²不僅能有效清除已形成的生物膜，還能有效抑制新生物膜的形成。

為了深入探究PTT和PDT協(xié)同抗菌的分子機(jī)制，研究者對經(jīng)PNPs@COL@Gel + 0.4 W/cm²處理后的MRSA進(jìn)行了RNA-seq分析。結(jié)果顯示有549個差異表達(dá)基因。京都基因與基因組百科全書富集分析表明，差異基因主要集中在與生物膜形成和分散相關(guān)的核糖體、金黃色葡萄球菌感染和嘌呤代謝等通路。基因本體分析也支持了這一發(fā)現(xiàn)。實時熒光定量PCR驗證了幾個關(guān)鍵基因的上調(diào)，例如與精氨酸生物合成相關(guān)的argF和argC，以及與編碼細(xì)胞外蛋白酶和生物膜脫落相關(guān)的sspA、sspB、sspC。這些結(jié)果表明，PNPs@COL@Gel通過上調(diào)與細(xì)胞外蛋白酶、氨基酸合成、生物膜形成和代謝過程相關(guān)的基因，促進(jìn)了細(xì)菌生物膜的破壞。

在應(yīng)用于感染傷口前，研究者評估了PNPs@COL@Gel的生物相容性。MTT法和鈣黃綠素AM染色證明其對小鼠成纖維細(xì)胞無顯著毒性，溶血率低于5%，紅細(xì)胞形態(tài)正常，顯示出良好的血液相容性。為了便于覆蓋不規(guī)則傷口，研究者設(shè)計了一個雙噴頭連接的噴霧瓶，分別裝有SBMA+PNPs混合液和HEMA+COL混合液，噴涂后可原位形成水凝膠薄膜。在小鼠全層皮膚切口模型中，PNPs@COL@Gel治療組的傷口在7天內(nèi)愈合效果最佳，傷口表面平坦。組織學(xué)分析顯示，該組傷口有更多新生的毛囊和完整的上皮，疤痕不明顯，且膠原沉積量更高。轉(zhuǎn)化生長因子-β和堿性成纖維細(xì)胞生長因子的表達(dá)水平也顯著升高。主要器官的蘇木精-伊紅染色未發(fā)現(xiàn)明顯的炎癥和病理變化，表明材料具有良好的體內(nèi)生物相容性和安全性。

在MRSA感染的頜面部傷口小鼠模型中，研究者評估了不同治療方案的效果。與對照組、單獨激光組和單純水凝膠組相比，PNPs@COL@Gel聯(lián)合激光治療組，尤其是高功率組(0.4 W/cm²)，傷口愈合速度最快，疤痕減少效果最好，傷口溫度在激光照射10分鐘內(nèi)升至49.6°C。傷口組織的菌落計數(shù)顯示，高功率組的抗菌率達(dá)到95.5%。組織學(xué)分析進(jìn)一步證實，高功率治療組炎癥細(xì)胞最少，上皮組織最完整，膠原沉積和CD31表達(dá)量最高，表明促進(jìn)了血管新生。同時，該組促炎因子TNF-α的表達(dá)最低，抗炎效果最佳。

為評估水凝膠在深層組織的穿透和治療能力，研究者建立了MRSA感染的皮下膿腫模型。治療結(jié)果顯示，在980納米激光照射下，PNPs@COL@Gel能夠穿透組織發(fā)揮光熱效應(yīng)，高功率組膿腫部位溫度可達(dá)48.7°C。治療后，高功率組幾乎未見明顯膿液滲出，抗菌效果最佳。組織學(xué)分析同樣顯示，高功率組炎癥細(xì)胞最少，毛囊結(jié)構(gòu)明顯，膠原沉積量、轉(zhuǎn)化生長因子-β和堿性成纖維細(xì)胞生長因子表達(dá)量以及CD31標(biāo)記的血管新生程度均顯著高于其他組，而促炎因子IL-6的表達(dá)最低。

綜上所述，該研究成功開發(fā)了一種基于NIR-II激發(fā)的、具有光熱和光動力協(xié)同抗菌功能的兩性離子復(fù)合水凝膠PNPs@COL@Gel。該材料具備優(yōu)異的力學(xué)性能、組織粘附性、生物相容性和深層組織穿透能力。體外實驗證實其在NIR-II激光照射下能高效殺滅包括MRSA在內(nèi)的細(xì)菌，并有效清除和抑制生物膜。體內(nèi)研究進(jìn)一步證明，PNPs@COL@Gel不僅能通過協(xié)同抗菌作用加速感染傷口的愈合，還能通過調(diào)節(jié)免疫微環(huán)境、促進(jìn)上皮細(xì)胞生長和新生血管形成，顯著減少疤痕，實現(xiàn)頜面部感染傷口及膿腫的無疤痕愈合。這項研究為臨床治療耐藥菌感染及促進(jìn)復(fù)雜傷口再生修復(fù)提供了一種極具前景的非抗生素新策略。