引用本文： 祖瀟然, 韓愚弟, 周維, 皇甫超濟, 張明, 韓巖. 抗菌水凝膠治療感染創面的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2024, 38(2): 249-255. doi: 10.7507/1002-1892.202311003 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《中國修復重建外科雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
皮膚作為人體最大的器官，具有重要的免疫屏障作用[1]。皮膚損傷會引起皮膚結構完整性和屏障保護功能喪失，導致病原微生物入侵，引起感染[2-3]。細菌感染會延遲傷口愈合過程，導致組織壞死、膿毒血癥，甚至危及生命。目前臨床上對于感染創面的治療以局部清創術合并全身使用抗生素為主[4]。然而，隨著抗生素的濫用，臨床上細菌耐藥性已顯著增加[5]，難治性感染創面已成為嚴重的社會醫療負擔，臨床亟需尋求一種新的有效治療方法。
近年來，抗菌水凝膠在治療感染傷口中的作用受到研究者的廣泛關注[6-9]。臨床上已有部分商品制劑用于皮膚感染、骨髓炎和陰道炎的治療中，如納米銀抗菌水凝膠和殼聚糖婦科抗菌水凝膠，已取得良好治療效果。各種新型抗菌水凝膠也在研究中逐漸涌現。水凝膠材料為三維立體網絡結構，具有優異的親水性、生物相容性和生物可降解性[10]。根據材料、抗菌物質和抗菌機制，水凝膠材料可分為固有抗菌水凝膠、抗菌劑釋放型水凝膠以及環境響應型抗菌水凝膠3類；根據來源可分為天然水凝膠、合成水凝膠以及生物來源水凝膠；還可以根據其交聯方式進行分類，如物理交聯水凝膠、化學交聯水凝膠以及雜化網絡水凝膠。隨著水凝膠的不斷發展，目前已有多種材料和交聯方法的多重選擇，基于此構建的復合水凝膠可以具備兩種或以上的材料特性。
新型抗菌物質的研究、高分子材料科學以及再生醫學的發展促進了抗菌水凝膠設計和制備的優化，又陸續出現了自愈性水凝膠、仿生水凝膠、機器人水凝膠[11]等新概念。本文將從抗菌材料及抗菌機制角度綜述生物醫學領域新興的抗菌水凝膠治療感染創面的研究進展。
1 固有抗菌水凝膠
固有抗菌水凝膠是選用本身就具有抗菌性能的材料制備出的抗菌水凝膠，無需引入額外的抗菌劑，其機制主要依賴于陽離子基團與細菌表面負電荷的相互作用[12]。其優勢在于不涉及抗生素的使用，可以避免細菌耐藥性問題；以及該水凝膠材料成分簡單，取材方便，成本較低，便于大規模使用。固有抗菌水凝膠根據材料不同，又可分為天然材料和合成材料。
1.1 固有天然抗菌材料
固有天然抗菌材料主要有殼聚糖及其衍生物、透明質酸、天然多糖以及姜黃、大麻、花椒、蒜等的提取物。這些材料來源于動物或植物，具有良好的生物相容性和可降解性。
殼聚糖是甲殼素脫乙酰化制備的天然陽離子聚合物，殼聚糖上的氨基很容易質子化，與帶負電荷的細菌結合，起到殺菌作用。Deng等[13]以季銨化殼聚糖和雙醛細菌纖維素為原料，設計了一種具有高保水性、快速自愈性和可注射性的水凝膠傷口敷料。季銨基團的引入提高了殼聚糖在中性條件下的溶解度，帶正電荷的基團可以通過靜電黏附與帶負電荷的細菌生物膜相互作用，有效破壞細菌生物膜，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性分別超過70%和90%。透明質酸是一種高分子量酸性直鏈黏多糖，其通過形成多糖-水合層干擾細菌與細胞表面位點的相互作用，來屏蔽細菌對細胞和底物的黏附。Bai等[14]以氧化透明質酸和天然大分子沒食子酸接枝季銨化殼聚糖為原料，通過希夫堿和邁克爾加成反應設計水凝膠，體外實驗證實該水凝膠具有抗氧化和促細胞遷移的作用，并且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抑制作用。姜黃素、大麻二酚等是從姜黃、大麻等中草藥中提取的酚類化合物，可以通過抑制氧自由基的生成及改變細菌細胞膜酶活性，發揮抗菌作用。Khaleghi等[15]利用姜黃素偶聯透明質酸制備了一種水凝膠，體外抑菌實驗、抗生物膜實驗證實其對銅綠假單胞菌具有顯著抑菌效果，且在小鼠皮膚創傷模型上顯示出良好的促創面愈合潛力。Qi等[16]通過大麻二酚交聯海藻酸鹽制備了一種修復骨缺損的抗菌水凝膠。體內、外實驗均證明該水凝膠可以抑制炎癥反應，從而對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抑制作用，能有效促進骨細胞分化，修復感染性骨缺損。
天然抗菌材料制備的水凝膠生物相容性良好，但穩定性較差，不耐高溫，易降解，并且天然材料各批次之間差異性大，導致產品性能不穩定。這些因素都限制了天然水凝膠材料的單獨應用。
1.2 固有合成抗菌材料
固有合成抗菌材料是具有親水性的高分子聚合物，通過物理或化學作用交聯構筑大分子鏈網絡形成水凝膠，包括聚乙烯亞胺、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等及其衍生物。
聚乙烯亞胺可以通過聚合化學反應形成滲透膜與帶負電荷的細菌結合，最終導致細菌裂解死亡[17]。Meng等[18]報道了一種由聚乙烯亞胺和聚葡聚糖醛形成的黏性水凝膠抗菌涂層，能夠有效抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌。Wu等[19]將支化聚丙烯酸和單乙醇胺組成靜電驅動超分子網絡，集成到添加殼聚糖季銨鹽的共晶溶劑中，高分子聚合物通過靜電作用吸附細菌，制成了一種具有高透明度、廣泛可調力學性能、高回彈性、可靠黏接性、優異自愈能力、良好導電性及抗凍性的抗菌水凝膠。這種凝膠可以作為多功能皮膚用于難治性感染創面的修復，為制造仿生抗菌水凝膠提供了一種有前途的思路。Park等[20]將單寧酸引入到由聚乙烯醇和聚丙烯酸組成的雙網絡水凝膠中，構成一種堅韌、不膨脹的水凝膠，具有組織粘連、生物相容、止血的特性，且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑菌效果。
合成高分子材料單體類型豐富且聚合方法多元化，使其可設計性更強，制備的水凝膠在穩定性和抗菌長效性方面均較好。但相對天然材料，其生物相容性較差，如聚乙烯亞胺具有高細胞毒性。因此，與天然抗菌材料聯合應用或通過物理交聯或引入化學修飾基團對材料進行改性，中和兩者優缺點，形成復合材料水凝膠能夠適用于不同的應用場景。
2 抗菌劑釋放型水凝膠
固有抗菌水凝膠材料的單一抗菌效果在面對嚴重感染時很難殺死周圍環境中的細菌，因此開發新型復合抗菌水凝膠創面敷料，實現協同抗菌活性，降低創面感染風險顯得尤為重要。
2.1 負載抗生素的水凝膠
抗生素是從微生物（包括細菌、真菌和放線菌）或高等動植物生命的次生代謝物中衍生出來的具有抗致病性或其他活性的化學物質，通過抑制細菌細胞壁合成、增強細菌細胞膜通透性、干擾細菌蛋白質合成、抑制細菌核酸復制和轉錄等作用殺死或抑制病原微生物[21]。抗生素通常包括喹諾酮類抗生素、β-內酰胺類抗生素、大環內酯類、氨基糖苷類抗生素等。Huang等[22]將萬古霉素負載于甲基丙烯酸酐改性明膠和改性氧化海藻酸鈉與金屬基有機骨架結合制備的水凝膠敷料中，該水凝膠釋放萬古霉素抑制傷口細菌代謝，促進感染傷口愈合。Fu等[23]開發了一種負載慶大霉素的雙交聯水凝膠，該水凝膠由甲基丙烯酸羥乙酯和丙烯酸自由基雙交聯構成。其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的持久抗菌活性超過28 d，可有效消除傷口中的細菌，并顯著加速傷口愈合。含環丙沙星的角蛋白水凝膠可顯著降低燒傷創面中銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的水平，并表現出與未感染燒傷創面相似的愈合模式，即再上皮化、巨噬細胞募集、膠原沉積和重塑[24]。
抗生素雖在模型實驗中效果顯著，但實際臨床中局部使用抗生素的作用效果以及與全身使用抗生素相比仍有待考證。且隨著臨床上對抗生素的廣泛濫用，細菌耐藥性產生愈加嚴重，抗生素內有效的抗菌成分正急劇減少。此外，各種耐藥菌甚至“超級細菌”的出現，更增加了治療感染的醫療負擔。
2.2 負載抗菌肽的水凝膠
抗菌肽是天然分子，由陽離子氨基酸的短序列組成，它們可以與細菌帶負電荷的細胞膜結合，從而導致細菌表面靜電變化及膜透化，最終致細菌裂解。已有的抗菌肽及其合成衍生物，如ε-聚L-賴氨酸、人導管抗菌肽LL-37、抗菌肽epinecidin-1、凝血酶衍生肽TCP-25，在感染傷口愈合中表現出良好效果。ε-聚L-賴氨酸是一種具有抗菌作用的天然陽離子多肽，Guo等[25]研究發現，ε-聚L-賴氨酸涂層的抗菌和抗生物膜機制是通過氧化應激和靜電滲透的原理實現。Zou等[26]制備了負載ε-聚L-賴氨酸的復合水凝膠，其中ε-聚L-賴氨酸可以快速釋放，達到較高的殺菌性能。Kang等[27]對比了人導管抗菌肽LL-37和銀納米顆粒，發現LL-37可以快速消除金黃色葡萄球菌的生物膜，相比銀納米顆粒殺菌效果更強，可能在清除生物膜和治療感染方面具有潛在的臨床應用價值。Huang等[28]的實驗研究證明抗菌肽epinecidin-1可以通過S期細胞來促進細胞周期進程，通過增加上皮細胞增殖、血管形成和膠原形成，從而促進豬模型中耐甲氧西林金黃色葡萄球菌感染燒傷創面的皮膚完全再生。
抗菌肽具有很強的抗菌作用和廣譜抗菌活性，很難使細菌產生耐藥性，其生物相容性及可降解性優于其他抗菌劑。但單獨的抗菌肽價格高昂、體內穩定性差、易受蛋白水解影響，故負載于各種材料中作為抗菌劑使用可以規避其缺點，具有更廣闊的應用前景。
2.3 負載無機金屬抗菌材料的水凝膠
無機金屬離子（銀離子、銅離子、鋅離子、金離子等）、金屬氧化物（氧化銅、氧化鋅等）及其納米顆粒具有廣譜抗菌性能。銀離子[29]一直被認為是最具代表性的抗菌劑，目前已在臨床中實現商品化。銀離子可以與細菌膜蛋白上帶負電荷的硫醇基團結合，嵌入細菌膜引起蛋白質變性，最終導致細菌凋亡。銅離子因價格低、穩定性強，也受到了研究人員的廣泛關注[30]。Li等[31]將銅離子與殼聚糖通過氨熏蒸法進行絡合，制備了一種物理水凝膠，該水凝膠表現出優異的力學性能和熱穩定性，對銅綠假單胞菌具有特異性殺傷作用。金屬納米顆粒是一種新型廣譜高效抗菌劑，具有粒徑小、比表面積大的特點，更容易與細菌結合。Wang等[32]將銀納米顆粒負載入聚丙烯酰胺交聯的纖維素網絡水凝膠中，體外抗菌實驗結果表明，復合水凝膠可以有效釋放銀納米顆粒，從而起到抑菌作用。金屬氧化物也被廣泛用于無機抗菌劑的選擇。Zhang等[33]研究設計了氧化鋅與天然材料甲殼素復合水凝膠作為感染全層皮膚傷口愈合材料，通過將工業氧化鋅粉末依次加入堿性幾丁質水溶液制得水凝膠。氧化鋅的修飾使水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌活性，并具有良好的生物相容性，通過促進成纖維細胞增殖、膠原沉積、上皮和肉芽組織新生，顯著加速感染性全層傷口愈合。
金屬有機框架是一種新型多孔納米材料，其活性中心與金屬及金屬氧化物納米顆粒中存在的活性中心相同或相似。金屬有機框架本身可以釋放具有抗菌活性的金屬離子或有機配體，其次可以與細菌膜相互作用，或者通過外部光源刺激生成活性氧以及與其他抗菌材料組裝等方式進行抗菌。Yao等[34]制備了基于鋅金屬有機框架，包封甲基丙烯酸透明質酸的微針陣列水凝膠。鋅金屬有機框架可以持續穩定釋放鋅離子，對細菌莢膜氧化應激從而起到殺菌作用，同時還可以顯著加速上皮細胞再生和新生血管形成，在傷口愈合上具有重要價值。Li等[35]開發了一種可注射的自愈合水凝膠，該水凝膠基于γ-環糊精鉀金屬有機框架，與殼聚糖、透明質酸結合組成，體外細胞實驗證實具有促進細胞增殖和遷移的作用，大鼠全層皮膚創面愈合實驗證明該水凝膠可顯著促進創面愈合，肉芽組織形成更好，膠原沉積更多，是治療慢性全層皮膚創面愈合的良好方法。
無機金屬抗菌材料具有高效廣譜抗菌活性，但在體內具有潛在細胞毒性。現有研究仍無法做到控制其金屬釋放量，故在臨床中的應用仍有所限制。
2.4 負載石墨烯和碳納米材料的水凝膠
碳納米材料，如石墨烯衍生物和碳納米管，具有完美的生物相容性，并顯示出獨特的抗菌活性。碳納米材料制備水凝膠可以保持它們的電學性能、光學性能和機械性能。石墨烯是二維的sp2碳原子片，呈蜂窩狀結構，具有優異的性能、強度、導電性、抗菌性和分子載體能力。石墨烯及其衍生物氧化石墨烯和還原氧化石墨烯具有抗菌活性，可破壞細菌形態并導致細胞內物質滲漏。Di Giulio等[36]報道了氧化石墨烯可顯著抑制銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌生物膜的形成，并消除其已形成的生物膜。Yang等[37]使用氧化石墨烯作為結構增強劑和抗菌劑降低了聚酯材料的脆性，構建了一種抗菌薄膜，該薄膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌具有良好抗菌活性，可以使細菌菌落數量減少80%。但其也存在缺陷，對哺乳動物細胞顯示出低毒性。碳量子點作為碳基材料家族的最新成員，是一種零維碳基材料，被證明具有高度抗菌和抗生物膜的作用，但對混合感染無明顯抑菌效果[38-39]。碳點最常見的抗菌機制是陽離子特性[40]或活性氧誘導的氧化應激作用[41]。Baek等[42]發現金屬氧化物與碳基納米材料結合時可以增加遷移率、表面積和光催化能力，通過對比氧化鋅和氧化鈦雜化的碳納米管和氧化石墨烯，證實氧化鋅共軛納米氧化石墨烯表現出更高的抗菌性能，其最主要的抗菌機制可能是由于活性氧的產生，從而得出應用金屬氧化物修飾碳納米材料可能是針對多重耐藥菌的一種有效抗菌辦法的結論。
2.5 其他可用于負載抗菌劑的新型水凝膠
脫細胞基質是利用物理或化學方法對生物組織進行脫細胞處理而制備的一種新型生物材料，其特點是保留天然細胞外基質支架，相較于天然及合成材料具有更好的人體組織相容性。Cai等[43]研究制備了一種可注射的負載萬古霉素的豬真皮細胞外基質水凝膠支架，可用于加速止血、提高抗菌活性和促進組織修復。脫細胞基質水凝膠負載的萬古霉素可在1 h內從水凝膠中釋放，比細菌侵染傷口時間短，累計釋放率約80%，具有更快殺菌效果。脂肪組織脫細胞基質保留了天然細胞外基質的生物學特性，且比真皮細胞外基質更易獲得，已在許多研究中證實可用于創面修復。已有研究[44-45]證實利用人脂肪抽吸制備的脂肪脫細胞基質可以制備出平均纖維直徑約100 nm的水凝膠支架。它包含纖維連接蛋白、層粘連蛋白、Ⅰ型膠原蛋白和Ⅳ型膠原蛋白，具有良好的組織愈合能力，且可誘導脂肪再生，也可作為脂肪干細胞載體，在深部組織損傷修復中起重要作用。
抗菌劑釋放型水凝膠的核心是在水凝膠的三維網絡結構中負載高效抗菌劑。相比于單純使用抗菌材料，通過負載抗菌劑制備的水凝膠具有多種搭配形式，可設計性更強。負載的物質可包括大分子蛋白質、小分子藥物和納米材料等，加入兩種以上抗菌劑也可起到協同抗菌作用。
3 環境響應型抗菌水凝膠
環境響應型水凝膠又稱為“智能水凝膠”，它能夠感知、分析、處理和響應內部環境或其他環境因素中的刺激。標準的智能類別包括溫度敏感、光敏感、pH敏感、電磁敏感和壓敏水凝膠。
3.1 光熱抗菌水凝膠
光熱抗菌水凝膠的抗菌機制是在水凝膠中加入光熱劑，光熱劑將光能轉化為熱量，局部高熱引起細胞膜破裂和胞內蛋白質變性從而殺死細菌。無機金屬離子、碳基納米材料都是良好的光熱劑，不僅本身具有抗菌作用，在光熱催化下表現出更強的抗菌活性[46]。Qian等[47]研究發現在0.5 W/cm2輻照功率的808 nm近紅外光照射下，銀和氧化銀具有光催化性能和局部溫度積累能力，以及更快速殺傷病原菌和裂解細菌生物膜的能力，在大鼠感染性傷口中實現了皮膚組織再生，有望成為一種新型光熱響應抗菌劑。Li等[48]基于殼聚糖微球和改性氧化石墨烯網絡，制備了一種光活化的復合水凝膠，體內、外實驗表明該復合水凝膠在光照射下會產生活性氧，只需照射10 min即可產生優異的抗菌活性。這種光活化的水凝膠可以顯著加速細菌伴隨的傷口愈合，是一種很有前途的防止細菌感染的傷口敷料。
3.2 光動力抗菌水凝膠
光動力抗菌水凝膠是依靠光敏劑吸收光子能量，傳遞給氧氣和其他生物活性分子以產生具有毒性的活性氧，破壞細菌細胞膜和胞內蛋白質從而殺死細菌。He等[49]制備了一種負載光敏劑氯E6的多功能水凝膠抗菌涂層，在660 nm激光照射條件下，涂層具有抗菌和促進成纖維細胞活化的作用。在1 W/cm2的輻照功率下，涂層能快速殺滅金黃色葡萄球菌，促進傷口愈合。Wang等[50]制備了一種負載有缺陷結構的氧化鉬納米顆粒的復合水凝膠，在近紅外光和660 nm激光的雙重照射下，復合水凝膠可以打破谷胱甘肽抗氧化平衡，積累活性氧。雙光照射可在15 min內有效殺滅大腸桿菌和枯草芽孢桿菌，同時水凝膠還可以促進大腸桿菌感染傷口愈合。
3.3 pH敏感水凝膠
與正常組織相比，感染后的微環境具有pH值較低的特點[51]。此外，環境pH條件可以影響溶膠-凝膠相變行為，與水凝膠的流變機械性能直接相關。例如，Liu等[52]開發了一種pH響應型水凝膠，它由可逆的兒茶酚-硼酸鍵組成，該鍵由內在殺菌的氯化兒茶酚和苯硼酸形成。結果表明，該水凝膠在酸性條件下對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌，包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，均有良好的抑菌活性；相反，在堿性條件下，水凝膠則失去了其抗菌性能。Rashidzadeh等[53]報道了一種新型抗菌磁/pH敏感水凝膠，基于海藻酸鹽和氧化鐵混合物制備而成。在pH 7.4時，作者觀察到水凝膠具有pH依賴性的溶脹行為，其溶脹能力最大；雙氯芬酸鈉作為藥物被負載于水凝膠珠中時，在pH 7.4時具有較高釋放率；在pH 7.4、作用時間200 min時，藻酸鹽微球的緩釋率接近83%。除pH外，外磁場對磁珠中雙氯芬酸鈉的釋放也有影響。這種磁/pH敏感水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有較強抗菌活性，在抗菌傷口治療中具有潛在應用前景。
環境響應型抗菌水凝膠可以在溫度、酸堿度等環境影響因素改變下發生相應變化，提供各種方法來精確控制細胞行為、組織功能和藥物釋放。它可以強化抗菌材料和抗菌劑的抗菌作用，或是起協同抗菌作用，具有高效、作用強、耐藥性低、可調控、副作用小的優勢，但需要觸發的條件因素在臨床應用中的可行性尚需要驗證。
4 總結及展望
本文綜述了生物醫學領域新興的抗菌水凝膠在治療感染創面中的研究進展。固有抗菌水凝膠具有來源廣、成本低、制備簡單的優勢，但往往抗菌效果較弱。抗菌劑釋放型水凝膠由于抗菌劑的存在，相比前者顯示出良好抗菌活性；新的抗菌物質，如抗菌肽、金屬離子、石墨烯材料等為替代抗生素療法提供了新的治療策略；抗菌劑釋放型水凝膠還可作為給藥系統給藥，達到藥物持續釋放和長期抗菌的目的。環境響應型抗菌水凝膠在抗菌材料本身性能上又加入了光熱效應、pH值、磁力等環境促進因素，增強了水凝膠的抗菌性能，提高了精準調控功能和局部仿生效果。
值得一提的是，一些材料如海藻酸鹽、明膠等[54]在賦予水凝膠抗菌性能的同時，還能改善水凝膠的力學性能，包括強度和韌性等方面，許多水凝膠在設計時將它們摻雜其中以改善其機械性能。一些新興的生物材料來源于動物或人體，內含多種細胞因子和分子，具有高度生物相容性，是抗感染與促進組織修復結合的新思路。在最近研究中[55]，研究者還制備出了能在溫度、電、光照等環境刺激下將自身化學能轉變成機械能，自由爬行的柔性水凝膠機器人，該水凝膠機器人實現了智能載藥的功能，給抗菌水凝膠的智能化研究提供了新方向。
抗菌水凝膠的發展需要不斷整合微生物學、材料科學、生物工程學和臨床醫學的相關知識，然而目前研究僅限于細胞和動物實驗。開發一種能夠滿足實際臨床應用的抗菌水凝膠仍然是一個重大挑戰。對于人體來說，高度的生物相容性和確切的抗菌及修復作用是抗菌水凝膠應用于臨床的關鍵；同時，還應考慮其經濟性、可操作性和生產穩定性。因此將其轉化為有效的臨床治療策略還需要一些時間和進展。相信隨著水凝膠設計的不斷發展，抗菌水凝膠有望為治療感染創面提供新的方向和思路。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
作者貢獻聲明 祖瀟然：綜述構思、文獻收集、文章撰寫及修改；韓愚弟、周維：文章修改、分析總結；皇甫超濟、張明：資料收集、觀點形成；韓巖：對文章的知識性內容作批評性審閱，提出重要參考意見
皮膚作為人體最大的器官，具有重要的免疫屏障作用[1]。皮膚損傷會引起皮膚結構完整性和屏障保護功能喪失，導致病原微生物入侵，引起感染[2-3]。細菌感染會延遲傷口愈合過程，導致組織壞死、膿毒血癥，甚至危及生命。目前臨床上對于感染創面的治療以局部清創術合并全身使用抗生素為主[4]。然而，隨著抗生素的濫用，臨床上細菌耐藥性已顯著增加[5]，難治性感染創面已成為嚴重的社會醫療負擔，臨床亟需尋求一種新的有效治療方法。
近年來，抗菌水凝膠在治療感染傷口中的作用受到研究者的廣泛關注[6-9]。臨床上已有部分商品制劑用于皮膚感染、骨髓炎和陰道炎的治療中，如納米銀抗菌水凝膠和殼聚糖婦科抗菌水凝膠，已取得良好治療效果。各種新型抗菌水凝膠也在研究中逐漸涌現。水凝膠材料為三維立體網絡結構，具有優異的親水性、生物相容性和生物可降解性[10]。根據材料、抗菌物質和抗菌機制，水凝膠材料可分為固有抗菌水凝膠、抗菌劑釋放型水凝膠以及環境響應型抗菌水凝膠3類；根據來源可分為天然水凝膠、合成水凝膠以及生物來源水凝膠；還可以根據其交聯方式進行分類，如物理交聯水凝膠、化學交聯水凝膠以及雜化網絡水凝膠。隨著水凝膠的不斷發展，目前已有多種材料和交聯方法的多重選擇，基于此構建的復合水凝膠可以具備兩種或以上的材料特性。
新型抗菌物質的研究、高分子材料科學以及再生醫學的發展促進了抗菌水凝膠設計和制備的優化，又陸續出現了自愈性水凝膠、仿生水凝膠、機器人水凝膠[11]等新概念。本文將從抗菌材料及抗菌機制角度綜述生物醫學領域新興的抗菌水凝膠治療感染創面的研究進展。
1 固有抗菌水凝膠
固有抗菌水凝膠是選用本身就具有抗菌性能的材料制備出的抗菌水凝膠，無需引入額外的抗菌劑，其機制主要依賴于陽離子基團與細菌表面負電荷的相互作用[12]。其優勢在于不涉及抗生素的使用，可以避免細菌耐藥性問題；以及該水凝膠材料成分簡單，取材方便，成本較低，便于大規模使用。固有抗菌水凝膠根據材料不同，又可分為天然材料和合成材料。
1.1 固有天然抗菌材料
固有天然抗菌材料主要有殼聚糖及其衍生物、透明質酸、天然多糖以及姜黃、大麻、花椒、蒜等的提取物。這些材料來源于動物或植物，具有良好的生物相容性和可降解性。
殼聚糖是甲殼素脫乙酰化制備的天然陽離子聚合物，殼聚糖上的氨基很容易質子化，與帶負電荷的細菌結合，起到殺菌作用。Deng等[13]以季銨化殼聚糖和雙醛細菌纖維素為原料，設計了一種具有高保水性、快速自愈性和可注射性的水凝膠傷口敷料。季銨基團的引入提高了殼聚糖在中性條件下的溶解度，帶正電荷的基團可以通過靜電黏附與帶負電荷的細菌生物膜相互作用，有效破壞細菌生物膜，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性分別超過70%和90%。透明質酸是一種高分子量酸性直鏈黏多糖，其通過形成多糖-水合層干擾細菌與細胞表面位點的相互作用，來屏蔽細菌對細胞和底物的黏附。Bai等[14]以氧化透明質酸和天然大分子沒食子酸接枝季銨化殼聚糖為原料，通過希夫堿和邁克爾加成反應設計水凝膠，體外實驗證實該水凝膠具有抗氧化和促細胞遷移的作用，并且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抑制作用。姜黃素、大麻二酚等是從姜黃、大麻等中草藥中提取的酚類化合物，可以通過抑制氧自由基的生成及改變細菌細胞膜酶活性，發揮抗菌作用。Khaleghi等[15]利用姜黃素偶聯透明質酸制備了一種水凝膠，體外抑菌實驗、抗生物膜實驗證實其對銅綠假單胞菌具有顯著抑菌效果，且在小鼠皮膚創傷模型上顯示出良好的促創面愈合潛力。Qi等[16]通過大麻二酚交聯海藻酸鹽制備了一種修復骨缺損的抗菌水凝膠。體內、外實驗均證明該水凝膠可以抑制炎癥反應，從而對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抑制作用，能有效促進骨細胞分化，修復感染性骨缺損。
天然抗菌材料制備的水凝膠生物相容性良好，但穩定性較差，不耐高溫，易降解，并且天然材料各批次之間差異性大，導致產品性能不穩定。這些因素都限制了天然水凝膠材料的單獨應用。
1.2 固有合成抗菌材料
固有合成抗菌材料是具有親水性的高分子聚合物，通過物理或化學作用交聯構筑大分子鏈網絡形成水凝膠，包括聚乙烯亞胺、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等及其衍生物。
聚乙烯亞胺可以通過聚合化學反應形成滲透膜與帶負電荷的細菌結合，最終導致細菌裂解死亡[17]。Meng等[18]報道了一種由聚乙烯亞胺和聚葡聚糖醛形成的黏性水凝膠抗菌涂層，能夠有效抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌。Wu等[19]將支化聚丙烯酸和單乙醇胺組成靜電驅動超分子網絡，集成到添加殼聚糖季銨鹽的共晶溶劑中，高分子聚合物通過靜電作用吸附細菌，制成了一種具有高透明度、廣泛可調力學性能、高回彈性、可靠黏接性、優異自愈能力、良好導電性及抗凍性的抗菌水凝膠。這種凝膠可以作為多功能皮膚用于難治性感染創面的修復，為制造仿生抗菌水凝膠提供了一種有前途的思路。Park等[20]將單寧酸引入到由聚乙烯醇和聚丙烯酸組成的雙網絡水凝膠中，構成一種堅韌、不膨脹的水凝膠，具有組織粘連、生物相容、止血的特性，且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑菌效果。
合成高分子材料單體類型豐富且聚合方法多元化，使其可設計性更強，制備的水凝膠在穩定性和抗菌長效性方面均較好。但相對天然材料，其生物相容性較差，如聚乙烯亞胺具有高細胞毒性。因此，與天然抗菌材料聯合應用或通過物理交聯或引入化學修飾基團對材料進行改性，中和兩者優缺點，形成復合材料水凝膠能夠適用于不同的應用場景。
2 抗菌劑釋放型水凝膠
固有抗菌水凝膠材料的單一抗菌效果在面對嚴重感染時很難殺死周圍環境中的細菌，因此開發新型復合抗菌水凝膠創面敷料，實現協同抗菌活性，降低創面感染風險顯得尤為重要。
2.1 負載抗生素的水凝膠
抗生素是從微生物（包括細菌、真菌和放線菌）或高等動植物生命的次生代謝物中衍生出來的具有抗致病性或其他活性的化學物質，通過抑制細菌細胞壁合成、增強細菌細胞膜通透性、干擾細菌蛋白質合成、抑制細菌核酸復制和轉錄等作用殺死或抑制病原微生物[21]。抗生素通常包括喹諾酮類抗生素、β-內酰胺類抗生素、大環內酯類、氨基糖苷類抗生素等。Huang等[22]將萬古霉素負載于甲基丙烯酸酐改性明膠和改性氧化海藻酸鈉與金屬基有機骨架結合制備的水凝膠敷料中，該水凝膠釋放萬古霉素抑制傷口細菌代謝，促進感染傷口愈合。Fu等[23]開發了一種負載慶大霉素的雙交聯水凝膠，該水凝膠由甲基丙烯酸羥乙酯和丙烯酸自由基雙交聯構成。其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的持久抗菌活性超過28 d，可有效消除傷口中的細菌，并顯著加速傷口愈合。含環丙沙星的角蛋白水凝膠可顯著降低燒傷創面中銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的水平，并表現出與未感染燒傷創面相似的愈合模式，即再上皮化、巨噬細胞募集、膠原沉積和重塑[24]。
抗生素雖在模型實驗中效果顯著，但實際臨床中局部使用抗生素的作用效果以及與全身使用抗生素相比仍有待考證。且隨著臨床上對抗生素的廣泛濫用，細菌耐藥性產生愈加嚴重，抗生素內有效的抗菌成分正急劇減少。此外，各種耐藥菌甚至“超級細菌”的出現，更增加了治療感染的醫療負擔。
2.2 負載抗菌肽的水凝膠
抗菌肽是天然分子，由陽離子氨基酸的短序列組成，它們可以與細菌帶負電荷的細胞膜結合，從而導致細菌表面靜電變化及膜透化，最終致細菌裂解。已有的抗菌肽及其合成衍生物，如ε-聚L-賴氨酸、人導管抗菌肽LL-37、抗菌肽epinecidin-1、凝血酶衍生肽TCP-25，在感染傷口愈合中表現出良好效果。ε-聚L-賴氨酸是一種具有抗菌作用的天然陽離子多肽，Guo等[25]研究發現，ε-聚L-賴氨酸涂層的抗菌和抗生物膜機制是通過氧化應激和靜電滲透的原理實現。Zou等[26]制備了負載ε-聚L-賴氨酸的復合水凝膠，其中ε-聚L-賴氨酸可以快速釋放，達到較高的殺菌性能。Kang等[27]對比了人導管抗菌肽LL-37和銀納米顆粒，發現LL-37可以快速消除金黃色葡萄球菌的生物膜，相比銀納米顆粒殺菌效果更強，可能在清除生物膜和治療感染方面具有潛在的臨床應用價值。Huang等[28]的實驗研究證明抗菌肽epinecidin-1可以通過S期細胞來促進細胞周期進程，通過增加上皮細胞增殖、血管形成和膠原形成，從而促進豬模型中耐甲氧西林金黃色葡萄球菌感染燒傷創面的皮膚完全再生。
抗菌肽具有很強的抗菌作用和廣譜抗菌活性，很難使細菌產生耐藥性，其生物相容性及可降解性優于其他抗菌劑。但單獨的抗菌肽價格高昂、體內穩定性差、易受蛋白水解影響，故負載于各種材料中作為抗菌劑使用可以規避其缺點，具有更廣闊的應用前景。
2.3 負載無機金屬抗菌材料的水凝膠
無機金屬離子（銀離子、銅離子、鋅離子、金離子等）、金屬氧化物（氧化銅、氧化鋅等）及其納米顆粒具有廣譜抗菌性能。銀離子[29]一直被認為是最具代表性的抗菌劑，目前已在臨床中實現商品化。銀離子可以與細菌膜蛋白上帶負電荷的硫醇基團結合，嵌入細菌膜引起蛋白質變性，最終導致細菌凋亡。銅離子因價格低、穩定性強，也受到了研究人員的廣泛關注[30]。Li等[31]將銅離子與殼聚糖通過氨熏蒸法進行絡合，制備了一種物理水凝膠，該水凝膠表現出優異的力學性能和熱穩定性，對銅綠假單胞菌具有特異性殺傷作用。金屬納米顆粒是一種新型廣譜高效抗菌劑，具有粒徑小、比表面積大的特點，更容易與細菌結合。Wang等[32]將銀納米顆粒負載入聚丙烯酰胺交聯的纖維素網絡水凝膠中，體外抗菌實驗結果表明，復合水凝膠可以有效釋放銀納米顆粒，從而起到抑菌作用。金屬氧化物也被廣泛用于無機抗菌劑的選擇。Zhang等[33]研究設計了氧化鋅與天然材料甲殼素復合水凝膠作為感染全層皮膚傷口愈合材料，通過將工業氧化鋅粉末依次加入堿性幾丁質水溶液制得水凝膠。氧化鋅的修飾使水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌活性，并具有良好的生物相容性，通過促進成纖維細胞增殖、膠原沉積、上皮和肉芽組織新生，顯著加速感染性全層傷口愈合。
金屬有機框架是一種新型多孔納米材料，其活性中心與金屬及金屬氧化物納米顆粒中存在的活性中心相同或相似。金屬有機框架本身可以釋放具有抗菌活性的金屬離子或有機配體，其次可以與細菌膜相互作用，或者通過外部光源刺激生成活性氧以及與其他抗菌材料組裝等方式進行抗菌。Yao等[34]制備了基于鋅金屬有機框架，包封甲基丙烯酸透明質酸的微針陣列水凝膠。鋅金屬有機框架可以持續穩定釋放鋅離子，對細菌莢膜氧化應激從而起到殺菌作用，同時還可以顯著加速上皮細胞再生和新生血管形成，在傷口愈合上具有重要價值。Li等[35]開發了一種可注射的自愈合水凝膠，該水凝膠基于γ-環糊精鉀金屬有機框架，與殼聚糖、透明質酸結合組成，體外細胞實驗證實具有促進細胞增殖和遷移的作用，大鼠全層皮膚創面愈合實驗證明該水凝膠可顯著促進創面愈合，肉芽組織形成更好，膠原沉積更多，是治療慢性全層皮膚創面愈合的良好方法。
無機金屬抗菌材料具有高效廣譜抗菌活性，但在體內具有潛在細胞毒性。現有研究仍無法做到控制其金屬釋放量，故在臨床中的應用仍有所限制。
2.4 負載石墨烯和碳納米材料的水凝膠
碳納米材料，如石墨烯衍生物和碳納米管，具有完美的生物相容性，并顯示出獨特的抗菌活性。碳納米材料制備水凝膠可以保持它們的電學性能、光學性能和機械性能。石墨烯是二維的sp2碳原子片，呈蜂窩狀結構，具有優異的性能、強度、導電性、抗菌性和分子載體能力。石墨烯及其衍生物氧化石墨烯和還原氧化石墨烯具有抗菌活性，可破壞細菌形態并導致細胞內物質滲漏。Di Giulio等[36]報道了氧化石墨烯可顯著抑制銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌生物膜的形成，并消除其已形成的生物膜。Yang等[37]使用氧化石墨烯作為結構增強劑和抗菌劑降低了聚酯材料的脆性，構建了一種抗菌薄膜，該薄膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌具有良好抗菌活性，可以使細菌菌落數量減少80%。但其也存在缺陷，對哺乳動物細胞顯示出低毒性。碳量子點作為碳基材料家族的最新成員，是一種零維碳基材料，被證明具有高度抗菌和抗生物膜的作用，但對混合感染無明顯抑菌效果[38-39]。碳點最常見的抗菌機制是陽離子特性[40]或活性氧誘導的氧化應激作用[41]。Baek等[42]發現金屬氧化物與碳基納米材料結合時可以增加遷移率、表面積和光催化能力，通過對比氧化鋅和氧化鈦雜化的碳納米管和氧化石墨烯，證實氧化鋅共軛納米氧化石墨烯表現出更高的抗菌性能，其最主要的抗菌機制可能是由于活性氧的產生，從而得出應用金屬氧化物修飾碳納米材料可能是針對多重耐藥菌的一種有效抗菌辦法的結論。
2.5 其他可用于負載抗菌劑的新型水凝膠
脫細胞基質是利用物理或化學方法對生物組織進行脫細胞處理而制備的一種新型生物材料，其特點是保留天然細胞外基質支架，相較于天然及合成材料具有更好的人體組織相容性。Cai等[43]研究制備了一種可注射的負載萬古霉素的豬真皮細胞外基質水凝膠支架，可用于加速止血、提高抗菌活性和促進組織修復。脫細胞基質水凝膠負載的萬古霉素可在1 h內從水凝膠中釋放，比細菌侵染傷口時間短，累計釋放率約80%，具有更快殺菌效果。脂肪組織脫細胞基質保留了天然細胞外基質的生物學特性，且比真皮細胞外基質更易獲得，已在許多研究中證實可用于創面修復。已有研究[44-45]證實利用人脂肪抽吸制備的脂肪脫細胞基質可以制備出平均纖維直徑約100 nm的水凝膠支架。它包含纖維連接蛋白、層粘連蛋白、Ⅰ型膠原蛋白和Ⅳ型膠原蛋白，具有良好的組織愈合能力，且可誘導脂肪再生，也可作為脂肪干細胞載體，在深部組織損傷修復中起重要作用。
抗菌劑釋放型水凝膠的核心是在水凝膠的三維網絡結構中負載高效抗菌劑。相比于單純使用抗菌材料，通過負載抗菌劑制備的水凝膠具有多種搭配形式，可設計性更強。負載的物質可包括大分子蛋白質、小分子藥物和納米材料等，加入兩種以上抗菌劑也可起到協同抗菌作用。
3 環境響應型抗菌水凝膠
環境響應型水凝膠又稱為“智能水凝膠”，它能夠感知、分析、處理和響應內部環境或其他環境因素中的刺激。標準的智能類別包括溫度敏感、光敏感、pH敏感、電磁敏感和壓敏水凝膠。
3.1 光熱抗菌水凝膠
光熱抗菌水凝膠的抗菌機制是在水凝膠中加入光熱劑，光熱劑將光能轉化為熱量，局部高熱引起細胞膜破裂和胞內蛋白質變性從而殺死細菌。無機金屬離子、碳基納米材料都是良好的光熱劑，不僅本身具有抗菌作用，在光熱催化下表現出更強的抗菌活性[46]。Qian等[47]研究發現在0.5 W/cm2輻照功率的808 nm近紅外光照射下，銀和氧化銀具有光催化性能和局部溫度積累能力，以及更快速殺傷病原菌和裂解細菌生物膜的能力，在大鼠感染性傷口中實現了皮膚組織再生，有望成為一種新型光熱響應抗菌劑。Li等[48]基于殼聚糖微球和改性氧化石墨烯網絡，制備了一種光活化的復合水凝膠，體內、外實驗表明該復合水凝膠在光照射下會產生活性氧，只需照射10 min即可產生優異的抗菌活性。這種光活化的水凝膠可以顯著加速細菌伴隨的傷口愈合，是一種很有前途的防止細菌感染的傷口敷料。
3.2 光動力抗菌水凝膠
光動力抗菌水凝膠是依靠光敏劑吸收光子能量，傳遞給氧氣和其他生物活性分子以產生具有毒性的活性氧，破壞細菌細胞膜和胞內蛋白質從而殺死細菌。He等[49]制備了一種負載光敏劑氯E6的多功能水凝膠抗菌涂層，在660 nm激光照射條件下，涂層具有抗菌和促進成纖維細胞活化的作用。在1 W/cm2的輻照功率下，涂層能快速殺滅金黃色葡萄球菌，促進傷口愈合。Wang等[50]制備了一種負載有缺陷結構的氧化鉬納米顆粒的復合水凝膠，在近紅外光和660 nm激光的雙重照射下，復合水凝膠可以打破谷胱甘肽抗氧化平衡，積累活性氧。雙光照射可在15 min內有效殺滅大腸桿菌和枯草芽孢桿菌，同時水凝膠還可以促進大腸桿菌感染傷口愈合。
3.3 pH敏感水凝膠
與正常組織相比，感染后的微環境具有pH值較低的特點[51]。此外，環境pH條件可以影響溶膠-凝膠相變行為，與水凝膠的流變機械性能直接相關。例如，Liu等[52]開發了一種pH響應型水凝膠，它由可逆的兒茶酚-硼酸鍵組成，該鍵由內在殺菌的氯化兒茶酚和苯硼酸形成。結果表明，該水凝膠在酸性條件下對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌，包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，均有良好的抑菌活性；相反，在堿性條件下，水凝膠則失去了其抗菌性能。Rashidzadeh等[53]報道了一種新型抗菌磁/pH敏感水凝膠，基于海藻酸鹽和氧化鐵混合物制備而成。在pH 7.4時，作者觀察到水凝膠具有pH依賴性的溶脹行為，其溶脹能力最大；雙氯芬酸鈉作為藥物被負載于水凝膠珠中時，在pH 7.4時具有較高釋放率；在pH 7.4、作用時間200 min時，藻酸鹽微球的緩釋率接近83%。除pH外，外磁場對磁珠中雙氯芬酸鈉的釋放也有影響。這種磁/pH敏感水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有較強抗菌活性，在抗菌傷口治療中具有潛在應用前景。
環境響應型抗菌水凝膠可以在溫度、酸堿度等環境影響因素改變下發生相應變化，提供各種方法來精確控制細胞行為、組織功能和藥物釋放。它可以強化抗菌材料和抗菌劑的抗菌作用，或是起協同抗菌作用，具有高效、作用強、耐藥性低、可調控、副作用小的優勢，但需要觸發的條件因素在臨床應用中的可行性尚需要驗證。
4 總結及展望
本文綜述了生物醫學領域新興的抗菌水凝膠在治療感染創面中的研究進展。固有抗菌水凝膠具有來源廣、成本低、制備簡單的優勢，但往往抗菌效果較弱。抗菌劑釋放型水凝膠由于抗菌劑的存在，相比前者顯示出良好抗菌活性；新的抗菌物質，如抗菌肽、金屬離子、石墨烯材料等為替代抗生素療法提供了新的治療策略；抗菌劑釋放型水凝膠還可作為給藥系統給藥，達到藥物持續釋放和長期抗菌的目的。環境響應型抗菌水凝膠在抗菌材料本身性能上又加入了光熱效應、pH值、磁力等環境促進因素，增強了水凝膠的抗菌性能，提高了精準調控功能和局部仿生效果。
值得一提的是，一些材料如海藻酸鹽、明膠等[54]在賦予水凝膠抗菌性能的同時，還能改善水凝膠的力學性能，包括強度和韌性等方面，許多水凝膠在設計時將它們摻雜其中以改善其機械性能。一些新興的生物材料來源于動物或人體，內含多種細胞因子和分子，具有高度生物相容性，是抗感染與促進組織修復結合的新思路。在最近研究中[55]，研究者還制備出了能在溫度、電、光照等環境刺激下將自身化學能轉變成機械能，自由爬行的柔性水凝膠機器人，該水凝膠機器人實現了智能載藥的功能，給抗菌水凝膠的智能化研究提供了新方向。
抗菌水凝膠的發展需要不斷整合微生物學、材料科學、生物工程學和臨床醫學的相關知識，然而目前研究僅限于細胞和動物實驗。開發一種能夠滿足實際臨床應用的抗菌水凝膠仍然是一個重大挑戰。對于人體來說，高度的生物相容性和確切的抗菌及修復作用是抗菌水凝膠應用于臨床的關鍵；同時，還應考慮其經濟性、可操作性和生產穩定性。因此將其轉化為有效的臨床治療策略還需要一些時間和進展。相信隨著水凝膠設計的不斷發展，抗菌水凝膠有望為治療感染創面提供新的方向和思路。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
作者貢獻聲明 祖瀟然：綜述構思、文獻收集、文章撰寫及修改；韓愚弟、周維：文章修改、分析總結；皇甫超濟、張明：資料收集、觀點形成；韓巖：對文章的知識性內容作批評性審閱，提出重要參考意見