《European Polymer Journal》：Engineering hydrogels antibacterial activity via network morphology varied through polymerization mechanism
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聚合物网络结构调控抗菌与细胞相容性研究：比较自由基聚合（FRP）与可控 RAFT 聚合法制备的薄层水凝胶在金黄色葡萄球菌抑制率（FRP组<10%，RAFT组>90%）及成纤维细胞存活率（FRP组83%，RAFT组87-99.7%）方面的差异，揭示均质网络与可控分子量（4万-12万g/mol）协同提升抗菌性能同时维持高细胞相容性的机制。
阿赫梅特·切廷卡亚（Ahmet ?etinkaya）| 马格达莱娜·利平斯卡（Magdalena Lipinska）| 安-卡特琳·基斯曼（Ann-Kathrin Kissmann）| 亚历山德拉·马切伊奇克（Aleksandra Maciejczyk）| 保琳娜·卡齐米耶尔恰克（Paulina Kazimierczak）| 马尔塔·特扎斯科夫斯卡（Marta Trzaskowska）| 丹尼尔·格鲁伯（Daniel Gruber）| 阿加塔·普热科拉（Agata Przekora）| 弗兰克·罗森瑙（Frank Rosenau）| 乔安娜·皮埃特拉西克（Joanna Pietrasik）
波兰罗兹工业大学聚合物与染料技术研究所，Stefanowskiego 16号，90-537罗兹
摘要
在这项研究中，我们探讨了聚合物网络结构如何影响薄膜水凝胶创可贴的抗菌效果和细胞相容性。水凝胶的合成采用了两种机制：自由基聚合（FRP），生成异质性网络；以及可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）后进行交联，生成具有可控大分子参数的均匀系统。
基于FRP的水凝胶表现出优异的人体成纤维细胞存活率（>83%）和增强的胶原蛋白合成能力（高达694 μg/mL），显示出强大的再生潜力。然而，其对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的抗菌活性仍然有限。相比之下，由具有可控分子量的共聚物（Mn ≈ 40,000和60,000 g mol?1）制备的RAFT水凝胶有效抑制了浮游菌和生物膜细菌，使细菌存活率降低了约90%，同时保持了高成纤维细胞存活率（87–99.7%）。与对照组相比，这些水凝胶显著改善了伤口愈合情况，表明这些材料在保持抗菌功能的同时主要支持细胞相容性。
这些发现表明，决定水凝胶网络关键分子特性的聚合途径能够合理调节其抗菌和再生性能。
引言
用于伤口愈合的生物材料不仅在处理急性创伤引起的并发症方面发挥着关键作用，而且在管理慢性伤口方面也非常重要。因此，开发既能提供物理保护又能发挥生物活性的多功能创可贴仍然是生物材料研究中的一个主要挑战。与传统创可贴材料相比，水凝胶提供了一个高度生物相容性的平台，能够维持最佳湿度水平，吸收大量伤口渗出物，并可能抑制微生物（包括细菌和真菌）的繁殖[1]、[2]、[3]、[4]。
阳离子水凝胶因其能与带负电荷的细菌膜和核酸相互作用而被广泛认为是有效的抗菌材料[5]、[6]、[7]。然而，这些抗菌功能也可能对哺乳动物细胞产生细胞毒性，从而可能限制其生物医学应用。这种细胞毒性通常归因于阳离子基团与细胞膜中含磷酸基成分的相互作用，可能导致膜不稳定和细胞毒性。一种常用的策略是引入聚乙二醇（PEG）段，这既增加了亲水性又提供了空间屏蔽作用，同时保持了凝胶的抗菌效果[8]。因此，PEG功能化的阳离子水凝胶已成为有前景的抗菌生物材料候选者。
在我们之前的研究中，我们报道了一种基于寡聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯（OEGMA）的接触活性薄膜水凝胶，其中均匀分布着具有内在抗菌活性的季铵电荷。该水凝胶通过使用OEGMA和2-（二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）的精确设计的共聚物进行季铵化反应合成，得到了适用于创可贴应用的机械稳定水凝胶系统。所得到的P(OEGMA-Stat-QDMAEMA)网络在水环境中表现出显著的稳定性，并对铜绿假单胞菌表现出强大的抗菌活性。重要的是，季铵基团保持了可接受的细胞相容性水平，这一点在人体成纤维细胞实验中得到了证实[9]。
了解聚合物结构如何控制生物性能已成为设计功能性生物材料的关键目标。许多研究表明，大分子结构、官能团分布和聚合物拓扑结构强烈影响抗菌活性、细胞相容性和机械性能[10]、[11]、[12]。在水凝胶网络中，诸如聚合物链长度、交联密度和结构异质性等参数显著影响膨胀行为、机械稳定性和生物相互作用[13]、[14]、[15]。特别是，通过单网络（SN）和双网络（DN）水凝胶的研究探索了大分子结构的影响，其中网络结构的变化可以显著改变机械性能和生物响应[16]、[17]。
在抗菌聚合物系统中也观察到了类似的结构-活性关系，其中链结构的变化影响了生物性能。例如，Jung等人研究了用于控制真菌生物膜的两亲性季铵壳聚糖（AQACs）。通过改变疏水烷基链的长度（C4、C8和C12），作者发现较短的链对浮游白色念珠菌（Candida albicans）具有更强的杀菌活性。相反，较长的链在破坏表面附着的生物膜方面更有效。这些对比趋势归因于疏水链的自聚集现象，突显了分子结构在决定抗菌性能中的重要性[18]。同样，Morkan等人表明，引入到季铵化聚（4-乙烯基吡啶）共聚物中的悬挂官能团显著影响了抗菌活性、细胞相容性和基因转染性能[19]。
Correia等人进一步证明，在聚合物长度和单体组成保持不变的情况下，仅聚合物链结构就可以影响细胞毒性。由DMAEMA和OEGMA组成的共聚物在块状结构中表现出较低的细胞毒性，而统计或梯度结构则不然，这表明更广泛的阳离子电荷分布可能会增强与带负电荷的细胞膜的相互作用[20]。此外，Kumar等人研究了基于季铵化DMAEMA衍生物的孔隙凝胶，这些凝胶表现出很强的机械强度和杀菌性能。这些研究共同表明，抗菌活性不仅取决于电荷密度，还取决于聚合物网络中官能团的空间分布[21]。
在本研究中，我们扩展了之前的工作[9]，探讨了聚合机制如何影响水凝胶网络结构和生物性能。使用传统的自由基聚合（FRP）在DMAEMA衍生的季铵单体或交联剂存在下制备了异质性网络。同时，通过RAFT聚合制备了均匀的OEGMA300-DMAEMA共聚物网络，随后进行季铵化和交联。所得到的共聚物具有可控的分子量（Mn ≈ 40,300 g mol?1和120,300 g mol?1），并使用二溴己烷作为季铵化剂转化为薄膜水凝胶创可贴。
我们假设，由于聚合途径的不同，网络形态的差异可能会调节水凝胶与生物系统（包括细菌细胞和人体成纤维细胞）的相互作用。因此，对合成出的水凝胶进行了系统的粘弹性、膨胀行为、与人真皮成纤维细胞的细胞相容性以及对模型病原体铜绿假单胞菌的固有抗菌活性的评估。与之前报道的水凝胶系统[9]进行了比较分析。表现出最高成纤维细胞存活率的水凝胶进一步在体外通过胶原蛋白合成和划痕试验迁移研究进行了伤口愈合潜力的研究。
据我们所知，之前没有研究系统地探讨过聚合控制的网络形态如何影响具有内在抗菌性的季铵水凝胶创可贴的结构-功能关系，特别是在成纤维细胞相容性的背景下。本研究提供了关于聚合物网络结构、分子量和季铵电荷分布均匀性如何共同影响抗菌效果和细胞反应的机制见解。
材料
单体：寡聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯（OEGMA300，98%）和2-（二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA，98%）从Sigma Aldrich购买，并在使用前通过碱性氧化铝过滤以去除丁基化羟基甲苯（BHT）和4-甲氧基酚（MEHQ）抑制剂。2-氰基-2-丙基苯并二硫代酸酯（CPBD，99%）、2,2'-偶氮二（2-甲基丙腈）（AIBN，98%）、1-溴丙烷（99%）、1-溴己烷（98%）和交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯
结果与讨论
为了研究网络结构和活性官能团分布对铜绿假单胞菌抗菌活性的影响，选择了特定的聚合方法。许多研究表明，由于自由基聚合（FRP）的不可控性，会导致具有不同交联密度区域的异质性聚合物网络，以及弹性链和非弹性链的广泛分布[23]、[24]、[25]、[26]、[27]，这可能导致...
结论
研究结果表明，决定凝胶内部均匀性和活性基团分布的聚合途径及其分子特性（如链流动性和交联密度）影响了材料的性能。
根据ISO 10993–5标准，FRP水凝胶保持了高的人体成纤维细胞存活率（Prop-DM 20–1高于83%），并且水凝胶表面上的细胞粘附最小，周围的细胞仍然存活并具有增殖能力。
CRediT作者贡献声明
阿赫梅特·切廷卡亚（Ahmet ?etinkaya）：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。马格达莱娜·利平斯卡（Magdalena Lipinska）：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。安-卡特琳·基斯曼（Ann-Kathrin Kissmann）：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。亚历山德拉·马切伊奇克（Aleksandra Maciejczyk）：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。保琳娜·卡齐米耶尔恰克（Paulina Kazimierczak）：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。马尔塔·特扎斯科夫斯卡（Marta Trzaskowska）：撰写——原始...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
感谢波兰国家科学中心（Grant UMO-2020/39/I/ST5/02108）的财政支持。本研究还得到了德国研究协会（DFG）项目（项目编号465229237）的资助。
