Advanced Biology
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來自中國多所高校和醫院的聯合研究團隊在《Advanced Biology》發表的最新研究揭示了HAMA/GelMA-CA/Ag⁺複合水凝膠促進急性感染傷口癒合的獨特機制。這一發現突破了傳統傷口敷料在抗菌、藥物釋放和促進癒合方面的侷限，首次證實該水凝膠透過pH響應特性，能在酸性感染傷口環境中精準釋放銀離子，實現高效抗菌，同時憑藉其抗氧化性和良好的生物相容性加速傷口癒合程序。研究不僅為設計智慧響應型傷口敷料提供了新思路，還為推動傷口癒合領域的材料創新奠定了實踐基礎。
在急性感染傷口的治療中，實現高效的抗菌效果並促進傷口快速癒合是亟待解決的關鍵問題。金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）作為皮膚感染的常見病原菌，會導致傷口炎症加劇、癒合時間延長，若不及時控制，還可能引發嚴重併發症。同時，傳統的傷口敷料在應對急性感染傷口時存在諸多弊端，例如透明敷料在吸收滲出液和透氣方面表現不佳，氣凝膠成本高昂且機械強度不足，而普通水凝膠雖然具備一定優勢，但缺乏有效的抗菌效能，難以滿足臨床需求。
刺激響應性材料的出現為解決這些問題帶來了新的契機。其中，pH 響應性材料能夠根據傷口環境的 pH 變化精準釋放藥物，提高藥物利用效率，減少潛在的毒性風險。然而，目前大多數 pH 響應性材料在實際應用中仍面臨一些挑戰，如響應速度慢、穩定性差等。研究團隊聚焦於開發一種新型的 pH 響應性抗菌水凝膠，旨在克服傳統傷口敷料的不足，利用水凝膠的獨特效能，實現對急性感染傷口的高效治療。
1. HAMA/GelMA-CA/Ag⁺複合水凝膠的製備及理化特性表徵
為探究 HAMA/GelMA – CA/Ag⁺複合水凝膠在不同條件下的效能表現及穩定性，研究人員進行了一系列實驗。在製備及理化特性研究方面，透過兩步法合成複合水凝膠，先聚合得到 GelMA – CA 明膠，再經光交聯製備最終水凝膠。在 365nm 紫外光照射下，混合液能成功轉變為固體凝膠狀態。利用 FT – IR 光譜分析，發現 GelMA – CA 明膠中對應醯胺 C=O 拉伸振動的 1665.8cm⁻¹ 處峰強度高於 GelMA 明膠，證明咖啡酸成功接枝到明膠鏈上；XPS 光譜分析顯示，水凝膠主要化學組成包含 C、N、O 及 Ag 元素，且 Ag – O 在特定結合能處出峰，表明 Ag⁺與咖啡酸酚羥基形成了金屬配體鍵。SEM 觀察到該水凝膠平均孔徑為 88μm，相較於其他水凝膠有所變化，孔隙率為 31.25% ，交聯密度與純 HAMA/GelMA 水凝膠相當，溶脹率達 2096.89%，展現出良好的吸水能力。同時，在摺疊測試中，它比 HAMA/GelMA 水凝膠更具柔韌性，結構更最佳化。
圖1 HAMA/GelMA-CA/Ag⁺複合水凝膠的理化特徵表徵
2. 抗氧化、降解性及 pH 響應釋銀行為研究
在穩定性和抗菌效能測試實驗中，將複合水凝膠置於不同環境條件下觀察。在抗氧化和生物降解性方面，透過 DPPH 自由基清除實驗評估其抗氧化能力，結果顯示 HAMA/GelMA – CA/Ag⁺水凝膠的 DPPH 清除率為 87.95%，表現出良好的抗氧化效能，這主要歸因於咖啡酸的多酚結構能有效捕獲和中和自由基。在體外生物降解實驗中，該水凝膠在含膠原酶的溶液中 24h 內即可降解，保留了 GelMA 的降解特性。在不同溫度和環境下儲存一段時間後，研究其抗菌效能的變化。將水凝膠分別置於模擬不同傷口狀態的 pH 環境（酸性、中性、鹼性）中研究 Ag⁺釋放動力學，發現酸性環境下 1h 時 Ag⁺濃度達 0.993μg/mL，顯著高於中性和鹼性環境，呈現出明顯的 pH 響應性，這種特性有助於在傷口感染的酸性微環境中及時釋放抗菌成分，提高藥物利用率，同時避免銀離子在非感染階段的過度釋放，降低潛在毒性。
圖2 水凝膠的抗氧化特性、生物降解性、粘附效能及機械效能分析
3. 體外抗菌活性及生物相容性評價
以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為測試菌種，研究水凝膠的抗菌效能。實驗結果表明，HAMA/GelMA – CA/Ag⁺水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率分別為 74.62% 和 78.5% ，展現出顯著的抗菌效果，這得益於水凝膠中 Ag⁺的存在。進一步透過體內外生物相容性實驗評估其安全性，CCK – 8 測試和溶血實驗結果顯示，該水凝膠溶血率低，細胞活力值接近 100%，具有良好的生物相容性，不會對周圍組織和細胞產生明顯不良影響。
圖3 複合水凝膠的 pH 響應性銀離子釋放行為及體外抗菌與生物相容性評
4. HAMA/GelMA-CA/Ag⁺水凝膠促進感染傷口癒合的體內效果評估
在體內傷口癒合效果評估實驗中，採用大鼠金黃色葡萄球菌感染的全層傷口模型，觀察不同時間點傷口的癒合情況。結果顯示，HAMA/GelMA – CA/Ag⁺水凝膠組在第 4 天傷口面積就明顯小於其他組，到第 14 天傷口完全閉合，癒合效果顯著優於其他組。透過 H&E 染色和 Masson 染色分析傷口組織，發現該水凝膠組炎症細胞較少，能有效減輕炎症反應，同時促進了血管生成，並且膠原纖維的厚度和密度增加，排列更整齊，有利於傷口的修復和組織重建。綜合以上實驗結果，充分表明 HAMA/GelMA – CA/Ag⁺複合水凝膠具有良好的理化效能、穩定性、抗菌性、生物相容性，能有效促進急性感染傷口的癒合，在傷口敷料領域展現出巨大的應用潛力。
圖4 水凝膠促進金黃色葡萄球菌感染傷口癒合的體內效果及組織學分析
本研究透過理化表徵、體外抗菌、生物相容性及體內感染傷口模型等多維度實驗設計，系統探究了HAMA/GelMA-CA/Ag⁺複合水凝膠的抗菌機制與促癒合效能。研究以金黃色葡萄球菌和大腸桿菌為物件，結合pH響應釋銀行為、抗氧化活性及組織粘附能力分析，評估了水凝膠在感染傷口微環境中的協同作用。結果表明，水凝膠透過咖啡酸多酚結構與Ag⁺配位鍵的pH響應特性，實現了酸性環境下定向釋放抗菌離子（1h內酸性環境Ag⁺濃度為中性環境的7.5倍），並透過濃度依賴性抑菌（抑菌率≥74.6%）和抗氧化清除自由基（DPPH清除率87.95%）雙重機制抑制感染；同時，其優異的生物相容性（細胞活力近100%、溶血率<13%）和可降解性（24h內膠原酶降解）確保了組織安全性，體內實驗進一步證實其透過減輕炎症細胞浸潤、促進血管新生及膠原纖維有序沉積，加速感染傷口閉合（14天完全癒合）。這些發現表明，HAMA/GelMA-CA/Ag⁺水凝膠的抗菌效能與促修復功能具有天然協同性，其pH響應釋藥特性無需額外滅菌處理即可適應感染傷口微環境，為開發兼具智慧響應與生物活性的新型傷口敷料提供了理論依據，尤其在急性感染傷口治療中展現出抑制細菌過度增殖與加速組織重構的雙重優勢，為創傷修復材料的智慧化設計開闢了創新路徑。
Advanced Biology是Wiley出版社旗下Advanced 系列期刊之一。Advanced系列是Wiley傾力打造的自主旗艦品牌，涵蓋了各學科領域的優秀期刊，如綜合類期刊Advanced Science（IF: 14.3） 和材料科學期刊Advanced Materials (IF:27.4)等。作為Advanced系列的第一本生命科學類期刊，Advanced Biology （IF:3.2）創刊於2017年，旨在成為生命科學領域具有國際影響力的原創成果發表平臺，涵蓋從分子到整個生命體以及更高尺度的生命科學研究。期刊致力於報道重要新穎具有廣泛生物學意義的基礎及應用研究，包括但不限於以下領域：細胞與分子生物學、系統生物學、合成生物學、組織工程與再生醫藥、生物技術與生物工程、免疫學、微生物學、結構生物學、神經生物學、癌症研究、發育生物學、遺傳學與表觀遺傳學、生態系統與進化生物學等。作為Hybrid期刊，Advanced Biology為作者提供Gold Open Access發表選項。
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