基于纤维素纳米晶体-多巴胺纳米单元的生物多功能水凝胶，实现资源高效伤口护理

《Industrial Crops and Products》：Bio-based multifunctional hydrogels enabled by cellulose nanocrystal–polydopamine nano-units for resource-efficient wound care

　　孟天|贺洁青|王宏|韩杰|赖永贤|张代辉|丁晓峰|宋叶强
上海交通大学医学院同仁医院整形外科，中国上海200336，仙霞路1111号

**摘要**
开发资源高效的功能性材料对于减少医疗应用中对石油衍生一次性产品的依赖至关重要。本文报道了一种基于生物的多功能水凝胶，该水凝胶由纤维素纳米晶体-多巴胺（PDA@CNC）纳米单元构成。其中，可再生的纤维素纳米晶体作为纳米载体，用于稳定多巴胺并增强其在水凝胶网络中的功能性。这种复合水凝胶具有高延展性（断裂时的伸长率可达1219%）、对生物组织的稳定湿粘附性（在猪皮上的粘附力为19.1 J m?2）、优异的耐疲劳性以及超过10,000%的超高膨胀率，从而能够有效吸收渗出物并延长使用寿命。体内全层皮肤伤口研究显示，该水凝胶可加速伤口愈合、促进上皮再生、有序沉积胶原蛋白，并抑制促炎细胞因子的产生。从可持续性的角度来看，这项工作展示了可再生纤维素基纳米材料的高价值利用途径，为传统一次性伤口敷料提供了一种耐用且多功能的替代品，有望降低更换频率和相关的医疗废物产生。

**1. 引言**
伤口愈合是一个复杂的生理过程，涉及多个相互重叠的阶段，其结果受到局部伤口微环境、材料相容性和伤口敷料机械适应性的强烈影响（Chen等人，2024；Dang等人，2019；You等人，2025；Zheng等人，2025）。随着临床需求的增加，医疗行业也面临着减少石油衍生一次性材料消耗和相关医疗废物产生的压力，这突显了需要资源高效和可持续的伤口管理解决方案（Naik和Singh，2026；Zhang等人，2019；Zhang等人，2025）。此外，传统伤口敷料通常缺乏足够的保湿性、粘附性和功能调节性，导致需要频繁更换和增加材料使用量。因此，迫切需要开发兼具生物活性、机械稳定性和伤口适应性的新型材料（Mottaghitalab和Farokhi，2024；Zeng等人，2022；Zhao等人，2024）。
水凝胶作为一种三维网络状的亲水性聚合物，由于其类似人体组织的柔软性、优异的保湿性和良好的生物相容性，成为理想的伤口敷料材料（Kamoun等人，2017；Wang等人，2022；Zeng等人，2022）。它们可以保持湿润环境以促进愈合，并携带活性成分进行靶向输送，相比传统敷料具有显著优势（Dadkhah Tehrani等人，2022；Yan等人，2020）。然而，传统水凝胶仍存在一些局限性，如湿粘附性不足、机械强度不够以及生物调节能力有限，这些限制了它们的长期有效性，并阻碍了其在伤口护理应用中的资源保护和废物减少潜力（Feng等人，2025；Luan等人，2026）。例如，Chalitangkoon等人报告称，壳聚糖/海藻酸钠水凝胶通过氨基团增强了抗菌性能和粘附性，但存在交联较弱和机械强度不足的问题（Chalitangkoon等人，2020）。Liu等人合成了具有改善机械性能的羟基磷灰石复合水凝胶，但由于颗粒分布不均而降低了生物相容性（Liu等人，2018；Tan等人，2022）。因此，现有策略主要侧重于优化单一性能，难以在一个系统中整合粘附性、生物活性和机械稳定性。
多巴胺（PDA）是一种模仿贻贝粘附蛋白的生物分子模型，具有独特优势：其表面的羟基和氨基赋予其高效的湿粘附性，同时具备出色的自由基清除能力和抗炎活性，从而能够调节伤口微环境（Li等人，2023；Qi等人，2021；Xu等人，2023）。然而，PDA容易聚集，导致在基质中的分布不均，限制了其功能性能。结晶纳米纤维素（CNC）作为一种天然纳米材料，具有超高的比强度、生物相容性和丰富的羟基（Wang等人，2025）。它不仅可以作为载体封装PDA并解决聚集问题，还可以作为增强相来提高水凝胶的机械性能（Wang等人，2024；Zhang等人，2025）。尽管之前已有关于PDA/CNC复合系统的报道，但大多数研究主要集中在分散性改善、表面功能化、药物装载或初步的生物功能应用上，而不是构建一个机械耐用且多功能的水凝胶系统（Zou等人，2025；Chen等人，2025；Xu等人，2023）。例如，之前合成的PDA/TOCNF物理交联水凝胶虽然改善了分散性和粘附性，但由于物理交联较弱，其韧性较差且断裂伸长率低（Liu等人，2018）。此外，PDA@CNC改性的明胶水凝胶虽然实现了初步的机械增强和抗炎效果，但由于明胶交联不均，弹性不佳且循环性能较差。因此，大多数现有的PDA@CNC系统仍受限于弹性和韧性不足的问题，未能克服性能平衡的瓶颈。我们认为，关键挑战不仅仅是将PDA与纤维素纳米材料结合，而是合理地将PDA@CNC整合到水凝胶网络中，以实现机械强度、湿粘附性、膨胀能力和生物调节性的同时提升。
本研究提出使用PDA@CNC作为功能性增强相，与聚丙烯酰胺（PAM）交联网络相结合。利用PAM网络优异的弹性和稳定结构，这种方法解决了性能不平衡的问题。PDA@CNC不仅作为分散的添加剂或载体使用，而是作为PAM网络中的功能性纳米单元，其中CNC稳定PDA，促进界面相互作用和结构增强。我们系统地阐明了PDA@CNC增强复合水凝胶的构建和性能。首先，证实了PDA在CNC表面的成功封装和核壳结构的形成。随后，系统评估了复合水凝胶的机械性能、粘附能、膨胀行为和微观结构，明确了PDA@CNC的协同增强机制。最后，通过动物实验模型证明，与纯PAM水凝胶相比，复合水凝胶在促进全层皮肤缺陷愈合方面具有显著优势，这一点在多个维度上得到了验证，包括伤口闭合率、组织病理学再生和炎症细胞因子表达水平。此外，这项工作强调了可再生纤维素在资源高效和耐用伤口护理中的高价值利用，进一步区别于早期的PDA/CNC系统。这项工作展示了基于纤维素的纳米功能单元将传统水凝胶敷料升级为耐用且多功能替代品的潜力，提供了一种符合资源保护和减少医疗废物产生目标的材料设计途径。

**2. 材料与方法**
2.1. 材料
实验中使用的羧化纤维素纳米晶体（CNC，表面长度约200 nm，pH 7时的ζ电位为-40 mV）购自青岛北海区的Keminan纤维材料部门。盐酸多巴胺（DA）、丙烯酰胺（AM）、过硫酸铵（APS）、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）和（3-丙烯酰胺丙基）三甲基铵氯化物（APTAC）购自上海McLean生化有限公司。紫草素（SHK）购自成都GLP生物技术有限公司。Tris碱购自北京兰洁科科技有限公司。所有其他试剂均为分析级，使用前无需进一步纯化。整个实验过程中均使用去离子水。
2.2. 多巴胺涂层纤维素纳米晶体（PDA@CNC）的制备
制备了固体含量为1%的羧化CNC悬浮液。向CNC悬浮液中加入0.6 g Tris后，用盐酸将pH调整至8.5。这一pH值对于多巴胺的氧化自聚和在基底表面形成PDA涂层至关重要。随后，将1.0 g盐酸多巴胺溶解到悬浮液中，并在室温下机械搅拌48小时，以确保充分聚合和PDA在CNC表面的沉积。反应过程中，CNC-DA悬浮液逐渐变黑。反应结束后，将悬浮液在4°C和10,000 rpm下离心10分钟。去除上清液，沉淀物在相同的离心条件下用去离子水洗涤四次，直到上清液清澈。洗涤后的PDA@CNC固体重新分散在去离子水中，并根据后续水凝胶制备所需的PDA@CNC添加量调整水的用量。
2.3. PAM/PDA@CNC纳米复合水凝胶的制备
采用一步聚合法制备PAM/PDA@CNC纳米复合水凝胶。首先，将5 g AM、10 mg MBA和20 mg APS溶解在适量的PDA@CNC分散液中，然后用去离子水将最终体积调整至16 mL。完全溶解后，加入0.965 g APTAC作为阳离子功能单体以调节表面电荷并提供潜在的抗菌性能。将所得前体溶液倒入玻璃橡胶模具中，放入30°C恒温箱中至少8小时以确保完全凝胶化。聚合完成后，取出水凝胶并在表面轻轻冲洗以去除未反应的单体，得到结构完整的PAM/PDA@CNC复合水凝胶。所得水凝胶样品表示为PDA@CNC-x，其中x表示配方中PDA@CNC与AM的重量比。
2.4. 表征
使用Nicolet iS50红外光谱仪（Thermo）进行傅里叶变换红外（FTIR）光谱测量，光谱数据采集范围为4000–600 cm?1，每个样品进行32次累积扫描。X射线衍射（XRD）测量使用D8 FOCUS粉末衍射仪（Bruker，德国），采用波长为1.54060 ?的CuKα光源。扫描电子显微镜-能量分散X射线光谱（SEM-EDS）表征中，使用配备Regulus8230-XFlash6160能量分散X射线光谱仪的Regulus 8230扫描电子显微镜观察样品形态，操作加速电压为15 kV。观察前，样品先冷冻干燥，然后在液氮中破碎，并溅射一层薄金。
2.5. 机械分析
所有机械测试均在标准室温下使用配备10 N载荷细胞的电子万能试验机进行。为减少水分损失，水凝胶样品储存在密封袋中。使用模具将水凝胶切割成哑铃形试样，尺寸为25 mm长、4 mm宽、2 mm厚。单轴拉伸试验在恒定应变率100 mm/min下进行。夹具内允许放置与试样厚度相匹配的橡胶垫片，以防止可能影响数据准确性的机械损伤。
循环拉伸试验在相同条件下进行，试样被拉伸至500%的恒定应变，并进行十次循环以评估水凝胶的自我恢复性能。通过分析应力-应变曲线的初始段斜率计算试样的弹性模量（1）ЗЗT=∫σ(З)dЗ。
循环压缩试验中，水凝胶试样制备成直径15 mm、高度10 mm的圆柱形样品。测试过程中，压缩速率为100 mm/min，以研究材料在重复应力作用下的机械响应和恢复能力。
90°剥离试验中，水凝胶试样制备成长度30 mm、宽度100 mm的矩形样品，测试区域为10 mm × 10 mm的正方形区域。该测试评估了水凝胶在玻璃、金属、聚乙烯（PE）和猪皮表面的粘附性能。所有实验至少重复三次，报告平均值。这一评估提供了水凝胶在不同基底上粘附强度的见解，从而支持其各种实际应用。
2.6. 膨胀试验
将不同浓度的PDA@CNC水凝胶样品切割成指定长度的圆柱形试样并进行干燥处理。测量干燥水凝胶的初始质量并记录为W1。随后，将试样浸入去离子水中进行室温下的膨胀实验。在特定时间点，将试样从去离子水中取出，轻轻擦拭去除表面水分，记录膨胀后的质量W2。水凝胶的膨胀率用以下公式计算：
(2) 膨胀率 = (W2 - W1) / W1 × 100%
其中W1表示干燥水凝胶的质量，W2表示膨胀后的质量。实验至少重复三次，报告平均值。当水凝胶在去离子水中的体积和重量不再显著变化时，认为膨胀样品达到平衡状态。
2.7. 小鼠伤口愈合试验
雄性C57BL/6小鼠（约20 g）购自上海杰思杰实验动物有限公司（上海）。所有实验程序均严格遵循中国国家关于实验动物护理和使用的法规以及国家研究委员会发布的《实验动物护理和使用指南》中的标准。本研究中实施的动物实验方案已获得上海皮肤病医院动物护理和使用委员会的正式批准（伦理审查编号：2025–18）。小鼠被安置在标准的实验室环境中，可以自由获取水和食物。为了建立伤口模型，小鼠通过吸入5%异氟烷进行麻醉，随后固定在无菌手术台上。去除背部毛发后，使用无菌手术剪刀在每只小鼠的背部制造一个直径为18毫米的全层皮肤伤口。小鼠被随机分为四组，每组十只。对照组接受生理盐水处理，而其他三组分别接受PAM、PDA@CNC和PDA@CNC/SHK水凝胶处理。在术后第3天、第7天、第10天和第14天，使用数码相机拍摄伤口照片，并通过ImageJ软件（美国国立卫生研究院）对伤口面积进行定量分析。

2.8 统计分析
所有数据均使用GraphPad Prism 10.0版本进行分析，并以平均值±标准差（SD）的形式呈现。组间差异通过单因素方差分析（ANOVA）进行评估。当P<0.05时，认为差异具有统计学意义。

3. 结果与讨论
3.1 PAM/PDA@CNC水凝胶的制备
图1展示了聚多巴胺（PDA）包覆的纤维素纳米晶体悬浮液（PDA@CNC）的制备过程、水凝胶的合成及其作为有效伤口敷料材料的应用。棒状纤维素纳米晶体（CNC）是一类表面富含羟基团的纳米材料，它们容易分散形成均匀的悬浮液，并表现出优异的胶体稳定性（Shang等人，2021年）。基于这一特性，多巴胺（PDA）可以直接在CNC表面原位聚合，从而作为有效的载体，防止PDA聚集（Cihano?lu等人，2021年）。具体来说，当将多巴胺单体引入CNC悬浮液中时，CNC表面的羟基团与多巴胺分子中的儿茶酚部分形成强烈的非共价相互作用。在弱碱性条件下，多巴胺在CNC上发生氧化自聚合形成PDA，所得的PDA@CNC作为功能化相，赋予水凝胶多种性能（图1a）（Qin等人，2023年）。随后，通过将PDA@CNC与AM单体、MBA交联剂和APS引发剂混合制备前体溶液。APS产生的自由基引发AM聚合为PAM链，然后通过MBA交联形成三维网络（图1b）。PDA@CNC与PAM链之间的氢键提供了额外的增强作用，提高了网络的致密性和稳定性。最终，这一过程产生了PAM/PDA@CNC复合水凝胶，显示出加速小鼠皮肤伤口愈合的潜力（图1c）。

3.2 水凝胶的结构表征
在设计水凝胶时，选择了聚丙烯酰胺（PAM）作为水凝胶的聚合物基质，聚合前后的照片见图S3。PDA@CNC水凝胶的红外光谱（图2d）中出现了新的特征峰，主要位于822 cm?1和504 cm?1处，这些峰由PDA的特征结构如C–N振动和独特的环结构振动引起（Qin等人，2023年）。这些峰在纯PAM水凝胶的光谱中未见。PDA@CNC的引入通过交联增强了水凝胶的机械稳定性。N–H和O–H官能团的振动表明，PDA@CNC水凝胶显示出更复杂和强化的相互作用，这通常与更高的交联密度和更强的网络结构相关。此外，XPS分析（图S2）进一步证明了PDA在CNC表面的成功涂层。N1s峰的出现证实了氮含量的PDA物种在CNC表面的引入，而解卷积的C1s光谱显示了PDA相关的碳环境，如C–N/C–O和芳香结构。这些表面化学特征非常重要，因为它们为潜在的界面相互作用提供了分子基础，包括氢键和π相关相互作用，这些相互作用可能有助于水凝胶在不同基底上的粘附行为。

3.3 机械性能
图3研究了聚多巴胺（PDA）含量对PAM/PDA@CNC水凝胶机械性能和膨胀性能的影响，为其作为伤口敷料的应用提供了关键见解。如图3a中的应力-应变曲线和图3b中的模量/韧性结果所示，纯PAM的韧性较弱。引入并增加PDA含量显著提高了延展性，断裂伸长率从148%增加到1219%，但同时拉伸强度从51.46 kPa降低到18.73 kPa。这种权衡源于多种竞争效应：虽然PDA@CNC上的丰富官能团促进了与PAM网络的界面相互作用，从而增强了拉伸过程中的能量耗散，但过高的PDA@CNC含量可能导致分散不均匀，并可能干扰聚合过程，从而削弱基质。在最佳PDA含量下，水凝胶实现了柔韧性和强度的理想平衡，韧性可达到180.1 kJ/m3，约为PAM（52.9 kJ/m3）的三倍。这种增强的韧性使其能够在关节运动过程中承受变形而不会破裂——这是伤口敷料的核心要求。

3.4 自粘性测试
水凝胶的粘附性能对其作为伤口敷料的有效性至关重要。如图4a所示，PAM/PDA@CNC水凝胶对丁腈手套和多种基底（包括塑料、金属、玻璃和生物组织（猪皮）表现出强粘附性，证明了其广泛的适用性。为了更详细地描述这种凝胶的粘附性能，采用了90°剥离测试来测量水凝胶的粘附能量。如图4b所示，PAM/PDA@CNC水凝胶在玻璃上的粘附能量最高，为25.3 J m?2，在猪皮上的粘附能量次之，为19.1 J m?2，这表明它能够有效地粘附在合成和生物表面上。通过原子力显微镜（AFM）粘附测试（图4c）研究了其背后的机制。PAM/PDA@CNC水凝胶显示的粘附力为2.79 nN，大约是纯PAM水凝胶的六倍。相应的粘附图显示，PAM/PDA@CNC表面的力分布更加不均匀，整体粘附力更强，而PAM的表面粘附力则较为均匀且较低。这种增强的粘附性与PDA@CNC的表面化学特性一致，这一结论得到了XPS结果的支持。XPS结果证实了PAM@CNC表面引入了含氮基团和与PDA相关的碳结构（图S2和图S4）。PDA@CNC上丰富的氨基、羟基和芳香结构可能促进了与不同基底的多种界面相互作用，如氢键和π相关相互作用（图4d）（Yue等人，2024年）。总之，PAM/PDA@CNC水凝胶结合了良好的粘附性和适当的剥离强度，使其能够稳定而温和地粘附在各种表面上，确保了在不同伤口环境中的可靠性能，并进一步提升了其整体疗效。

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图4. PAM/PDA@CNC水凝胶的粘附性能和粘附机制。(a) PDA@CNC水凝胶粘附在不同基底上的照片。(b) PDA@CNC水凝胶的90度剥离强度测试结果。(c) PAM/PDA@CNC水凝胶的AFM粘附测试。(d) 说明水凝胶在不同基底上粘附机制的示意图。

3.5. 水凝胶在大鼠伤口愈合中的效果
尽管本研究没有进行直接的体外细胞相容性评估，但之前已经证明基于PAAm/PAM的水凝胶具有良好的生物相容性（Liu等人，2018年）。随后使用小鼠全层皮肤伤口模型评估了水凝胶的伤口愈合效果（图5a）。在小鼠的背部皮肤上制造了一个直径为18毫米的伤口，然后将它们分为四组：一组使用纯PAM水凝胶处理，另一组使用含有或不含药物的PAM/PDA@CNC复合水凝胶处理，对照组则不使用任何敷料。通过摄影分析在14天内监测伤口闭合情况（图5b）。含有药物负载的PAM/PDA@CNC复合水凝胶组显示出明显优于其他两组的愈合效果（图5c）。到第3天时已经出现明显差异，到第7天时差异更加明显，复合水凝胶组的伤口收缩效果更好。到第14天时，使用PAM/PDA@CNC水凝胶处理的伤口几乎完全上皮化，皮肤外观接近正常生理状态，而其他组仍有大量未愈合的区域。这种增强效果主要归因于PDA@CNC的引入。首先，它显著提高了水凝胶的粘附性，确保了稳定的覆盖并维持了湿润的伤口微环境（Cojocaru等人，2023年；Mittal等人，2020年）。其次，PDA和药物的协同生物活性积极促进了伤口部位的细胞增殖和组织再生。

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图5. 水凝胶敷料的体内伤口愈合评估。(a) 大鼠伤口愈合实验设计示意图。(b) 大鼠伤口的代表性图像。(c) 伤口大小模拟。（*P < 0.05；**P < 0.01；***P < 0.001，n = 10）

为了进一步阐明水凝胶在伤口组织再生中的调节作用，在实验结束时（第14天）进行了组织学和系统分析。对伤口切片进行苏木精和伊红（H&E）染色（图6a）后发现，对照组存在较大的间隙、表皮结构破坏以及密集的炎症细胞浸润。PAM处理组显示出伤口大小减小，但组织结构不规则。相比之下，PAM/PDA@CNC组表现出更好的表皮连续性和炎症减少，而PAM/PDA@CNC/SHK组实现了几乎完全的上皮化，组织结构与正常皮肤非常相似。Masson三色染色用于观察胶原蛋白沉积情况（图6a），结果显示对照组中的胶原纤维稀疏且无序。PAM组显示胶原排列紊乱，而PAM/PDA@CNC组则表现出显著增加的胶原含量。值得注意的是，PAM/PDA@CNC/SHK组呈现出丰富、密集且排列有序的胶原束——这是晚期愈合阶段组织重塑和结构恢复的关键指标（Zhao等人，2023年）。

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图6. 伤口愈合的组织学评估和炎症反应分析。(a) 各组皮肤组织的H&E和Masson染色。(b) 各实验组的相对体重变化以及TNF-α、IL-6和IL-1β水平。每组包含十只动物，每组使用五个样本进行定量分析。数据以平均值±标准差表示。*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001。数据以平均值±标准差表示。（*P < 0.05；**P < 0.01；***P < 0.001，n = 10）

同时评估了系统的生物相容性和局部抗炎效果（图6b）。对照组体重显著下降，而使用PAM/PDA@CNC/SHK水凝胶处理的小鼠体重保持稳定，表明其具有良好的系统生物相容性。对伤口组织中的关键促炎细胞因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）的分析显示，对照组的这些因子水平显著升高。所有水凝胶处理组的这些因子水平都显著降低，其中PAM/PDA@CNC/SHK组的浓度最低，证实了其在减轻局部炎症方面的优越效果（Wu等人，2025年）。总之，这些综合分析——涵盖组织微结构、胶原重塑、系统反应和炎症调节——表明PAM/PDA@CNC/SHK水凝胶能够最佳地促进伤口愈合。这种多因素效果提供了强有力的体内实验证据，支持其在皮肤伤口修复中的应用。

4. 结论
总之，本研究介绍了一种多功能水凝胶，该水凝胶增强了聚多巴胺涂层纤维素纳米晶体（PDA@CNC），其中可再生的纤维素纳米晶体作为纳米功能单元，使聚多巴胺能够有效地整合到水凝胶网络中。通过PDA@CNC与聚合物基质之间的界面相互作用，所得水凝胶实现了机械耐久性、湿粘附性、高膨胀能力和生物调节性的平衡结合。生物基CNC的引入不仅提高了材料性能，还为提高水凝胶的耐久性和多功能性提供了资源高效的策略。延长的服务性能和改善的愈合效率表明，这类材料可能减少伤口管理期间的敷料更换频率，从而降低材料消耗和相关的医疗废物。总体而言，这项工作展示了可再生纤维素基纳米材料在先进医疗材料中的高价值应用途径，使功能性材料设计符合资源保护和可持续材料替代的原则。

CRediT作者贡献声明
张代辉：撰写——审阅与编辑、方法学、资金获取、概念化。
宋业强：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
田梦：撰写——初稿、研究、正式分析、数据管理、概念化。
胡杰青：研究、正式分析、数据管理。
赖永贤：撰写——审阅与编辑、正式分析、数据管理。
丁晓峰：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。
王红：研究、数据管理。
韩杰：方法学、数据管理。