1、近红外光响应抗菌水凝胶的制备及其性能doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2023.03.008收稿日期：2023-03-10基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（2023JJ40264）；湖南省大学生创新创业训练计划基金资助项目（S202211535001）作者简介：张昱彤（1998-），女，河南洛阳人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为壳聚糖基水凝胶及其抗菌应用，E-mail：通信作者：许建雄（1984-），男，湖北黄冈人，湖南工业大学教授，博士，主要从事高分子凝胶及其功能化研究，E-mail：张昱彤 黄以琳 张 巧 余茂林 许建雄湖南工业大学生命科学与化学学院湖南 株
2、洲 412007摘要：为了满足创面治疗的各种需求，迫切需要开发具有良好的黏附性、生物相容性和抗菌性能的多功能创面敷料，以促进损伤组织的愈合与再生。基于化学交联策略，以茶多酚（TP）、聚多巴胺纳米粒子（PDA NPs）、季铵化羧甲基壳聚糖（QCMCS）和多巴胺修饰的氧化葡聚糖（ODex-DA）为原料，制备了一类多糖基 QCMCS/ODex-DA/TP/PDA（QOTP）近红外光响应抗菌水凝胶。丰富的邻二酚基团赋予 QOTP 水凝胶良好的黏附性，使其对器官组织（心、肝、胃和肌肉组织）在空气中与水下都表现出牢固的黏附性。此外，QCMCS 和 PDA NPs 之间的协同抗菌作用，使得 QOTP 水凝胶
3、在近红外（NIR）光照射下具备高效杀菌特性（对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均高于 99%）。这种具有双重协同抗菌作用的近红外光响应抗菌水凝胶预期在临床创面治疗中具有广阔的应用前景。关键词：抗菌水凝胶；希夫碱结构；光热响应；水下黏附性中图分类号：TQ427.2+6 文献标志码：A文章编号：1674-7100(2023)03-0056-09引文格式：张昱彤，黄以琳，张 巧，等.近红外光响应抗菌水凝胶的制备及其性能 J.包装学报，2023，15(3)：56-64.2023 年 第 15 卷 第 3 期 Vol.15 No.3 May 2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL03
4、1 研究背景刺激响应型水凝胶可以根据光1、pH2、磁场3、电场4等外部环境的变化做出响应，改变自身的结构或性质。目前，刺激响应型水凝胶广泛应用于药物递送5、组织工程6、可穿戴传感器7等领域。在这些外部刺激中，光由于其高时空分辨率、无入侵性、操作简单等特点，成为了当今研究的热点8，尤其是近红外（near infrared，NIR）光具有优异的组织穿透能力和较小的吸收面积等优势。因此，NIR 光响应型水凝胶在药物递送、生物传感等生命科学领域引起了研究人员的重点关注9。光热疗法（photothermal therapy，PTT）是指光热转换材料受到特定波长的激光照射，将光能转换成热能，使材料局部温度
5、升高，导致细菌结构受到物理破坏而杀灭细菌的方法。PTT 具有靶向性高、侵袭性小、生物安全、远程可控、副作用少等优点，有望成为一种代替抗生素治疗的抗菌方法10。常用的光热转换剂包括贵金属11、金属有机骨架（metal organic framework，MOFs）12、碳材料13等。近年来，富含邻苯二酚的聚多巴胺纳米粒子（polydopamine nanoparticles，PDA NPs）因其具有从紫外（ultraviolet，-57-UV）光到 NIR 光的广谱光吸收性、吸收效率高、毒性低、制备方法简单等优点而被广泛地开发为光热转换剂14-16。然而，光热转换剂的近红外辐射只在短时间内起作用
6、，去除激光照射后，未被杀灭的细菌会立即繁殖17-20。因此，抗菌剂和 PTT 的协同治疗是提高抗菌材料抗菌性能的一种有效途径。本研究以多巴胺修饰的氧化葡聚糖（oxidized dextran-dopamine，ODex-DA）和季铵化羧甲基壳聚糖（quaternized carboxymethyl chitosan，QCMCS）为 原 料，掺 杂 PDA NPs 和 抗 炎 成 分 茶 多 酚（tea polyphenol，TP），制 备 了 QCMCS/ODex-DA/TP/PDA（QOTP）近红外光响应抗菌水凝胶（以下称为QOTP 水凝胶）。该水凝胶中，季铵化的羧甲基壳聚糖可以弥补壳聚糖较
7、差的水溶性并增强其抗菌能力；ODex-DA 具有良好的生物相容性，还可触发人体免疫反应。QCMCS 的氨基（NH2）与 ODex-DA 中的醛基（CHO）形成动态可逆的席夫碱结构21-22，以及 ODex-DA 中的邻苯二酚基团与水凝胶网络之间形成动态氢键，两者赋予近红外光响应抗菌水凝胶良好的可注射性和自愈能力。PDA NPs 具有高效的光热活性，在细菌繁殖早期，通过近红外光照射可使 PDA NPs 杀死大部分细菌，再用 QCMCS 消灭残余细菌。这种通过抗菌剂和光热转换剂协同抗菌的策略，能够提升水凝胶的抗菌性能，对抗菌材料的发展有着重要的研究价值。2 实验部分2.1 试剂、设备与仪器1）主要
8、试剂羧 甲 基 壳 聚 糖（carboxymethyl chitosan，CMCS）、2,3-环 氧 丙 基 三 甲 基 氯 化 铵（2,3-epoxypropyltrimethylammonium chloride，GTA）、高碘酸钠（NaIO4）、多巴胺盐酸盐、一水合氨（NH3H2O）、乙醇、氯化钠（NaCl）购于阿拉丁试剂有限公司；葡聚糖（Dex）、茶多酚、琼脂（Agar）购于上海麦克林生化科技股份有限公司。2）主要设备与仪器电子天平，ME104E/02 型，梅特勒-托利多仪器有限公司；冷冻干燥机，FD-A12N-80N 型，上海皓庄仪器有限公司；磁力搅拌器，RG-18 型，天津科诺仪器
9、设备有限公司；超净工作台，SW-CJ-1D型，苏州博莱尔净化设备有限公司；电子万能拉力机，UTM4304 型，深圳三思纵横科技有限公司；扫描电子 显 微 镜（scanning electron microscope，SEM），ZEISS Sigma 300 型，德国蔡司公司；傅里叶变换红外 光 谱 仪（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR spectrometer），Scientific Nicolet iS20 型，美国Thermo 公司；可调温冰箱，BCD-571WDEMU1 型，青岛海尔股份有限公司；红外热像仪，Testo 875i型，
10、上海元析仪器有限公司。2.2 实验方法2.2.1 多巴胺修饰氧化葡聚糖的合成根据文献报道的方法22合成 ODex，进而制备ODex-DA，两者合成路线如图 1 所示。具体操作步骤如下：将相对分子质量为70 000的Dex（10 g，0.0614 mol），完全溶解在 90 mL 的去离子水中，使 Dex 完全溶解，得到质量分数为 10%的 Dex 溶液。再将等物质的量的 NaIO4加入 Dex 溶液中，在室温条件下避光搅拌 4 h，当反应结束后，加入乙二醇除去未反应的高碘酸钠。将反应得到的产物透析 72 h（截留分子量（molecular weight cut off，MWCO）：800012
11、 000），继续冷冻干燥获得相应产物 ODex。再通过溶液反应将上述合成的 ODex 上接枝多巴胺盐酸盐，制备 ODex-DA 23。具体操作步骤如下：将多巴胺盐酸盐溶解到 ODex 溶液中，在氮气保护下避光搅拌 5 h，待反应结束后，将反应产物透析 48 h，最后冷冻干燥，得到 ODex-DA 产物。2.2.2 季铵化羧甲基壳聚糖的合成将 CMCS（2.18 g）预先分散在去离子水中，然后加入 GTA（0.45 g），在 55 下搅拌 24 h（合成路线见图 2）。反应结束后，反应溶液在去离子水中透析 72 h（MWCO：800012 000），在此期间每隔12 h 换一次水，冷冻干燥后得到
12、浅黄色絮状固体，即为 QCMCS。图 1 ODex-DA 的合成路线Fig.1 Synthetic route of ODex-DA近红外光响应抗菌水凝胶的制备及其性能张昱彤，等03-58-2.2.3 聚多巴胺纳米粒子的合成将 2 mL 氨水（质量分数为 28%30%)、90 mL去离子水和 40 mL 无水乙醇依次加入圆底烧瓶中，在室温下搅拌 30 min。再将 10 mL 多巴胺盐酸盐（质量浓度为 50 mg/mL）溶液倒入上述混合物中，在室温下避光搅拌 24 h。反应完成后，用去离子水和乙醇洗涤产物并以 12 000 r/min 转速离心收集 PDA NPs，将其放置 4 条件下保存，备
13、用。2.2.4 QOTP 水凝胶的制备1）称取 0.8 g QCMCS 溶于 9.2 mL 的去离子水中得到质量分数为 8%的 QCMCS 溶液。再将质量浓度分别为 0,0.5,1,2 mg/mL 的 PDA NPs 溶液分别加入至上述 QCMCS 溶液中，依次标记为 QCMCS/PDA0、QCMCS/PDA0.5、QCMCS/PDA1、QCMCS/PDA2前驱液。2）称取 0.3 g ODex-DA 溶解在 9.7 mL 的去离子水中，磁力搅拌 5 min，得到质量分数为 3%的ODex-DA 溶液。然后将茶多酚（10 mg/mL）加入制备好的 ODex-DA 溶液中，搅拌直至茶多酚完全溶解
14、，制得 ODex-DA/TP 溶液。3）将制备的 QCMCS/PDA0（或 QCMCS/PDA0.5、QCMCS/PDA1、QCMCS/PDA2）与 ODex-DA/TP 溶液以体积比 1：1 的比例在室温下混合，分别制得QOTP0、QOTP0.5、QOTP1和 QOTP2水凝胶。2.3 表征与测试2.3.1 FTIR 表征通过傅里叶变换红外光谱仪对 Dex、ODex、ODex-DA、CMCS 和 QCMCS 的内部结构进行表征，扫描范围为 5004000 cm-1。2.3.2 SEM 表征采用扫描电子显微镜观察 PDA NPs 及 QOTP 水凝胶的内部微观形态。首先将待测样品冷冻干燥形成粉
15、末，并对样品粉末横截面进行喷金处理，然后使用扫描电子显微镜进行拍照扫描。2.3.3 黏附性测试为了评价 QOTP 水凝胶的黏附性，将 QOTP 水凝胶样品放置于空气中或水下浸泡 3 min。通过对不同生物组织（如心、肝、胃、肌肉、皮等）及非生物基材的黏附试验，观察了 QOTP 水凝胶的黏附性。2.3.4 光热性能测试测试 PDA NPs 及 QOTP 水凝胶在 NIR 光照射下的光热转化能力及光热稳定性。具体操作方法：1）将1.0 mL不同浓度的PDA NPs加入24孔板中，使用 808 nm 近红外光以 1 W/cm2的强度照射样品 10 min，每隔 1 min 用红外热像仪记录样品温度。
16、2）将添加不同浓度 PDA NPs 的 QOTP 水凝胶置于 1 mL 的离心管中，使用上述方法用近红外光照射样品，并用红外热像仪记录温度，拍摄热成像图。3）随后，使用 808 nm 近红外光以 1 W/cm2的强度对 PDA NPs 及 QOTP 水凝胶样品进行 4 个周期的循环照射，照射时间为 10 min，冷却时间约为 10 min，研究所制备的 PDA NPs 及 QOTP 水凝胶样品的光热循环稳定性。使用红外热像仪记录水凝胶的热成像图。2.3.5 体外光热抗菌实验采用平板涂布法测定 QOTP 水凝胶的近红外辐射辅助杀菌活性。以金黄色葡萄球菌（S.aureus，MCCCB 26003，革兰氏阳性）和大肠杆菌（E.coli，ATCC 25922，革兰氏阴性）为实验对象。首先，将QOTP 水凝胶样品紫外灭菌 20 min。然后，分别在样品表面加入 5 mL 黄色葡萄球菌和大肠杆菌悬浮液培养，培养 15 min 后，将每种样品分为无处理和近红外光照射两组，在 37 的条件下培养 24 h，培养结束后在固体培养基上进行平板涂布。待细菌生长至一定大小后，对培养皿上的细菌菌落进行拍照，计数
