无药物成分的透明质酸与改性羧甲基纤维素双交联多功能水凝胶创面敷料

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：A drug-free hyaluronic acid and modified carboxymethyl cellulose double cross-linked multifunctional hydrogel wound dressing

　　

Jiahui Wu|Jie Gao|Peng You|Xuan Li|Yanhua Wang|Xiangyu Shi|Zhiwei Li|Junxun Li|Fumei Qiao|Songlin Wang

中国山东省青岛市266042，青岛科技大学生物工程学院

摘要

受损的皮肤屏障为病原体定植提供了可乘之机，而病原体的入侵会显著延缓组织修复。水凝胶敷料作为一种有效的治疗手段，已被广泛用于临床伤口处理。然而，长期使用抗生素可能引发过敏反应，并增加药物耐药性的风险。因此，开发具有生物相容性、机械强度高且不含抗生素的天然水凝胶敷料仍是一项重要的技术挑战。本研究以氧化透明质酸、含肼羧甲基纤维素、聚乙烯醇和碳酸氢钠为主要成分，制备了OHA/PVA/HCMC@NaHCO?复合水凝胶。OHA中的高醛含量与含肼的HCMC发生化学交联，形成酰肼键，同时与PVA和NaHCO?形成物理交联的氢键。添加PVA提升了水凝胶的机械强度，且不会影响其良好的吸液能力。碳酸氢钠则赋予复合水凝胶显著的抗菌和抗氧化性能，这些作用与透明质酸协同作用，既能促进伤口愈合，又保持透明质酸本身的皮肤修复功能。该水凝胶对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌均具有强效的抗菌活性。体外实验表明，该水凝胶具有良好的生物相容性，还能促进成纤维细胞的增殖和迁移。在大鼠全层皮肤伤口模型中，该水凝胶显著加速了伤口闭合，促进了表皮再生，减少了炎症，同时增强了胶原蛋白沉积和组织重塑。这种无需药物、易于制备的OHA/PVA/HCMC@NaHCO?复合水凝胶，在治疗感染性伤口方面展现出广阔的应用前景。

引言

皮肤作为人体最大的器官，既是抵御外部威胁的重要屏障，能够防止机械损伤、病原体侵入以及温度变化，还承担着感觉和体温调节等重要功能（A. K. D?browska等人，2018；M. Monavarian等人，2019）。当皮肤受伤后，会启动包括止血、炎症反应、细胞增殖和组织重塑在内的动态修复过程（Huimin Geng等人，2020；Abhishek Gupta等人，2019）。传统的伤口纱布虽然可以吸收渗出物，但容易粘附在伤口上，频繁更换敷料还会增加疼痛感和感染风险。理想的伤口敷料需要具备良好的组织相容性、保湿度、机械强度以及适宜的微观结构（Hao Hu；Fu-Jian Xu，2020）。水凝胶凭借其三维交联网络，能为伤口提供湿润的愈合环境并起到保护作用（R. C. Op 't Veld等人，2020；Lei Wang等人，2020）。由于具有生物相容性和可生物降解性，基于天然聚合物的水凝胶更受青睐。然而，开放性伤口容易被金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌等病原体感染，这会延缓伤口愈合进程，降低组织修复效率（Sachin Latiyan等人，2023；B. S. Mahawal；Nabina Maharjan，2020；S. Meng等人，2023；N. Pazyar等人，2014；Anbazhagan Sathiyaseelan等人，2022）。现有的治疗策略存在三大局限性：滥用抗生素会加剧抗菌药物耐药性，外源性合成材料存在生物安全问题，而且目前缺乏兼具抗菌和再生功能的多功能制剂（S. Das；A. B. Baker，2016；Liang Li等人，2021；Wenyi Li等人，2022）。因此，研发新型的无抗生素治疗剂是伤口愈合领域亟待解决的关键问题。

透明质酸是细胞外基质的关键组成部分，是一种经生物合成的多糖，具有优异的吸湿性和生物相容性。它能够在抑制炎症或氧化应激的同时促进伤口修复（Yao Lin等人，2023；Xuelin Tang等人，2023；Xu Yang等人，2023；Ningning Yuan等人，2023）。透明质酸有助于止血、调控炎症、促进上皮再生、刺激成纤维细胞增殖以及推动血管生成（Karine Cappuccio Castro等人，2021；Mariana F. P. Gra?a等人，2020）。尽管有这些优势，透明质酸的稳定性较差，易被透明质酸酶分解，抗菌活性较弱，机械强度也不够理想（S. Y. Lee等人，2017；C. DeLorenzi，2014）。将透明质酸与其他生物活性成分结合，是克服这些局限性的有效策略。

碳酸氢钠是一种内源性生理物质，具有出色的生物相容性以及显著的抗菌活性。例如，5.00%的碳酸氢钠可通过诱导坏死有效杀灭白色念珠菌（M. Tomás等人，2021），与生理盐水混合使用时还能破坏细菌生物膜（J. E. Pepito等人，2022）。碳酸氢钠还能通过消除跨膜质子动力势，提升抗生素对耐药细菌的渗透能力（M. A. Farha等人，2018；W. E. Rose等人，2020）。此外，它的缓慢释放作用能营造出pH值约为8.5的弱碱性环境，从而抑制中性粒细胞外陷阱的过度形成，减轻慢性炎症（M. R. Alvarez等人，2024）。另外，它的电解质特性还能激活透明质酸的羧基，进一步提升水凝胶的捕菌能力（S. C. Ersoy等人，2021；S. Liu等人，2025）。因此，将碳酸氢钠引入基于透明质酸的伤口敷料中，能够提供一种安全且具有抗菌作用的方案，有助于减少对传统抗生素的依赖。

聚乙烯醇因其富含羟基的链结构、良好的生物相容性以及可改性特点，在水凝胶制备中起着关键作用。聚乙烯醇水凝胶虽能提供湿润的防护层并吸收渗出物，但容易过度膨胀且缺乏弹性（Yiqiao Huang等人，2024）。因此，通常需要通过物理或化学交联方式将聚乙烯醇与其他聚合物结合，以此获得可调控的机械性能。羧甲基纤维素是一种阴离子型纤维素衍生物，由于其生物相容性、可生物降解性、水溶性和丰富的官能团，被广泛用作基质材料或功能修饰剂（Sima Panahirad等人，2021；S. Panahirad等人，2021）。这些官能团可以通过氢键、离子相互作用、动态共价键结合或自由基聚合，形成稳定的三维网络。

本研究旨在通过冻融循环法制备氧化透明质酸/聚乙烯醇/酰肼化羧甲基纤维素双网络水凝胶。与以往报道的基于透明质酸的水凝胶或含碳酸氢钠的敷料相比，本研究的主要创新点有三：第一，采用双网络设计，结合化学交联（通过酰肼键将氧化透明质酸与羧甲基纤维素连接）和物理交联（通过冻融循环实现聚乙烯醇的交联），从而同时提升敷料的黏附性和机械性能，弥补了纯透明质酸机械强度较低的缺陷；第二，首次将碳酸氢钠引入OHA/PVA/HCMC双网络水凝胶中，借助碳酸氢钠与透明质酸的协同作用，实现了无抗生素的抗菌效果；第三，系统评估了该水凝胶在体外对成纤维细胞增殖和迁移功能的影响，以及在大鼠全层皮肤伤口模型中的体内抗菌效果，结果表明这种无需药物的复合水凝胶能够有效抑制病原菌，增强成纤维细胞的生物学功能，促进表皮再生，加快感染伤口的愈合速度。因此，本研究提供了一种易于合成、价格低廉且具有临床应用潜力的水凝胶敷料，可避免使用抗生素，同时有助于减缓抗菌药物耐药性的发展。

章节节选

材料

透明质酸（分子量：1500–2500 kDa）、碳酸氢钠（纯度≥99.8%）、羧甲基纤维素、过碘酸钠（纯度≥99.5%）、聚乙烯醇、氢氧化钠、无水乙醇（纯度≥99.5%）、透明质酸酶、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺、己二酸二肼以及1-羟基苯并三唑均购自上海麦克莱恩生化有限公司（中国上海）。醋酸-醋酸钠缓冲液、磷酸盐缓冲液

OHA/HCMC的制备

图1a展示了OHA和HCMC的合成路线。通过1H核磁共振、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射技术对OHA的化学结构进行了表征（图1b）。图1b2呈现了OHA和透明质酸的傅里叶变换红外光谱。在2720 cm?1附近的吸收峰出现了细微变化，这一变化源于醛基的特征C-H伸缩振动，表明其中含有醛基。OHA和透明质酸的光谱非常相似，这很可能是因为形成了半缩醛结构

结论

本研究成功制备了基于氧化透明质酸、聚乙烯醇和羧甲基纤维素的双交联水凝胶（OHA/PVA/HCMC@NaHCO?）。该水凝胶的设计利用了OHA中的醛基与HCMC中的酰肼基之间的缩合反应形成动态腙键（化学交联），同时聚乙烯醇的羟基与HCMC和氧化透明质酸的极性基团之间形成多氢键网络（物理交联）。碳酸氢钠的加入不仅能够加速腙键的形成，还能与上述交联机制产生协同效应

作者贡献说明

Xuan Li：实验研究，数据分析。Yanhua Wang：实验研究。Xiangyu Shi：实验研究。Fumei Qiao：实验研究。Songlin Wang：论文撰写与编辑，实验验证，研究监督，资金获取，数据分析，概念构思。Zhiwei Li：实验研究。Junxun Li：研究监督，资源提供。Jie Gao：实验研究，数据分析。Peng You：实验研究，数据分析。Jiahui Wu：论文初稿撰写，方法设计，实验研究，数据分析

未引用参考文献

Castro等人，2021；Das和Baker，2016；Di Mola等人，2022；Gao等人，2022；Geng等人，2020；Gra?a等人，2020；Gupta等人，2019；Gupta等人，2019；Han等人，2023；Hu和Xu，2020；Huang等人，2024；Hudson等人，2010；Latiyan等人，2023；Li等人，2021；Li等人，2022；Lin等人，2023；Mahawal和Maharjan，2020；Maity等人，2022；Nojiri和Joh，2014；Op 't Veld等人，2020；Sathiyaseelan等人，2022；Tang等人，2023；Wang等人，2020；Yang等人，2023；Yuan等人

利益冲突声明

本研究不存在需要声明的利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了山东省自然科学基金项目的支持（项目编号：ZR2022MB040）。