概述

盡管在研發用于監測和治療細菌生物膜感染的各種智能傷口敷料方面取得了進展，但要設計出一種創新且多功能的診療平臺，能夠對生物膜感染進行現場監測、有效清除生物膜并調節炎癥免疫微環境以促進傷口愈合，仍是一項重大挑戰，值得進一步探索。為了解決這一挑戰，設計了一種多功能的摻鉺殼聚糖包封ZIF-8（CDs@ZIF-8）納米異質結（C@Z納米異質結）結構，并將其整合到基于明膠甲基丙烯酸酯/聚（N-羥乙基丙烯酰胺）（GelMA/PHEAA）的堅韌且粘性的水凝膠敷料（GH-C@Z）中（圖1a），用于傷口生物膜感染的診療。如圖1b所示，所構建的GH-C@Z水凝膠能夠響應酸性生物膜微環境刺激，呈現出一種對生物膜感染的青色熒光響應開啟反應。同時，從該水凝膠中釋放出的C@Z納米異質結、摻鉺殼聚糖和Zn2+離子能夠有效地破壞生物膜胞外聚合物（EPS）。在808納米近紅外光下實現光熱-光動力-離子干擾協同抗菌療法。此外，在抗菌光療之后，Er:CDs的出色抗氧化特性使水凝膠能夠減輕氧化應激，誘導巨噬細胞向M2型表型極化，并促進新生血管生成和感染性生物膜傷口的恢復。總體而言，這種定制的多功能整合診療平臺有望用于生物膜感染的早期和現場監測，能夠及時有效地消除受感染的生物膜，并促進恢復。

（a）C@Z-HJ的合成過程示意圖GH-C@Z水凝膠和（b）示意圖GH-C@Z水凝膠用于生物膜感染皮膚傷口的原位視覺監測、協同抗菌和抗氧化治療。

結果和討論

C@Z Nano-HJ的合成與表征

該研究通過溶劑熱法一步合成了鉺摻雜碳（Er:CDs），以檸檬酸、尿素和ErCl3·6H2O為原料在DMF中反應制得。結構表征顯示：XRD圖譜晶面峰隨Er摻雜量（2.5%-40%）增加而減弱，表明Er摻雜導致sp2碳結構無序化，使能隙增大、近紅外吸收減弱。光熱/光動力測試表明高Er摻雜會降低光熱轉換效率和?OH生成能力，最終選擇5%摻雜比例用于后續實驗。進一步通過"環形包裹"法合成C@Z納米氫鍵化合物：將Er:CDs分散于Zn2+和2-甲基咪唑前驅液中，利用Zn2+與咪唑N及CDs羧基的配位作用，使ZIF-8在Er:CDs表面生長。TEM顯示純ZIF-8為十二面體（圖1c-d），而C@Z呈不規則形貌，表面附著Er:CDs團聚體（圖1e-f）。

圖1.Er:CDs、ZIF-8和C@Z-HJ的表征。（a）TEM和（b）Er:CDs的HRTEM圖像。（c）（d）ZIF-8的SEM和TEM圖像。（e）C@Z-HJ的SEM和TEM圖像。（g）C@Z-HJ的元素映射。（h）Er:CDs、ZIF-8和C@Z-HJ的XRD圖譜。（i）Er:CDs、ZIF-8和C@Z-HJ的FTIR光譜。（j）XPS測量光譜，Er:CDs、ZIF-8和C@Z-HJ的（k）C 1s、（l）N 1s和（m）Zn 2p。

C@Z Nano-HJ的pH響應性和光物理性質

生物膜原位視覺傳感檢測對于生物膜感染的診斷和治療具有極其重要和緊迫的意義。由于其酸響應特性，ZIF-8可以作為pH響應熒光開關，分解和釋放封裝在ZIF-8中的Er:CDs，利用熒光變化實現生物膜的視覺檢測。

圖2.Er:CDs和C@Z-HJ的pH依賴性PL性能及相關機制。（a）pH=7.5和pH=5.0時c@Z溶液的激發-發射圖和（b，c）相應的PL激發和發射光譜。（d）C@Z-HJ在pH=7.5和pH=5.0下的SEM圖像。（e）不同pH條件下C@Z-HJ中Zn2+的釋放。（f）C@Z-HJ在pH=7.5和pH=5.0時的紫外-可見吸收光譜。（g）不同pH條件下Er:CD溶液的激發-發射圖。（h）在藍光照射下，pH=7.5和pH=5.0的Er:CD和C@Z溶液的照片以及相應的CIE坐標。（i）Er:CDs溶液在pH=7.5和pH=5.0時的PL激發和（j）發射光譜。不同pH條件下Er:CD溶液的解卷積PL（k）激發和（l）發射光譜。（m）pH=7.5和（n）pH=5.0時C@Z溶液的解卷積PL激發光譜。C@Z溶液在（o）pH=7.5和（p）pH=5.0時的解卷積PL發射光譜。

C@Z Nano-HJ的體外抗生物膜性能

在菌落形成過程中，細菌會形成復雜而致密的生物膜，對標準抗生素治療的滲透具有高度抵抗力。此外，細菌生物膜對宿主免疫防御具有很強的抵抗力，并有助于對感染產生持久的抗微生物耐藥性。在有前景的近紅外光熱特性和微環境響應Zn2+釋放性能的鼓舞下，作者探索了C@Z nano-HJ的抗生物膜能力如圖3所示：

圖3.C@Z-HJ的體外抗生物膜性能。（a）不同處理后用結晶紫染料染色的代表性金黃色葡萄球菌和大腸桿菌生物膜。（b）不同處理后金黃色葡萄球菌和大腸桿菌生物膜被破壞的細菌菌落的代表性圖像。（c?f）圖4a、b的相關定量分析。不同處理后（g）金黃色葡萄球菌和（h）大腸桿菌生物膜的SEM圖像。橙色三角形箭頭表示細菌破裂。（i）通過活/死染色重建處理過的生物膜的3D圖像。

C@Z-HJ的生物膜去除機理

生物膜內的細菌分泌EPS以逃避免疫系統和外部殺菌劑，保護自己免受消除，并導致難治性和持續性的生物膜相關感染。胞外多糖是一種關鍵的生物膜基質成分，同時也是細菌的重要碳庫。此外，作為一種生物粘附成分，eDNA通過有效地將附近的EPS和細菌結合成粘性生物膜結構，在細菌粘附和生物膜穩定中起著至關重要的作用。為了探索潛在的抗生物膜機制，分別使用Calcofluor White M2R（CFW）和SYBR Green熒光染料進行雙重染色，評估了各組的胞外多糖和eDNA水平（圖4a）。結果表明，C@Z+NIR處理后，生物膜中的eDNA和胞外多糖受到顯著抑制，熒光強度降低。

圖4.生物膜根除的機制探索。（a）金黃色葡萄球菌形成的生物膜基質的主要成分分布。（b）金黃色葡萄球菌和（c）大腸桿菌的膜通透性。處理過的（d）金黃色葡萄球菌和（e）大腸桿菌生物膜中的蛋白質濃度。（f）PBS和C@Z處理細菌gDNA的瓊脂糖凝膠電泳結果。（g）金黃色葡萄球菌和在近紅外輻射下用C@Z處理的大腸桿菌（橙色箭頭表示質壁分離；黃色箭頭表示稀疏的內部細胞器）。（h）不同處理后金黃色葡萄球菌的DCFH-DA染色圖像。

結論

本研究成功開發了一種基于GH-C@Z水凝膠的熒光敷料，用于細菌生物膜感染的快速檢測與高效治療。該智能敷料具有以下創新特性：（1）pH響應性檢測：C@Z納米氫鍵化合物的酸性微環境響應特性，使水凝膠在生物膜感染部位呈現從無熒光到青色熒光的顯色變化，實現感染原位可視化監測；（2）協同抗菌機制：釋放的C@Z納米顆粒可降解胞外聚合物（EPS）中的eDNA和多糖，瓦解生物膜保護屏障；經808 nm近紅外光激發后，Er:CDs產生局部高熱和大量?OH，通過膜損傷和胞內氧化應激實現高效殺菌；（3）免疫調控與組織再生：清除生物膜后，Er:CDs發揮酶模擬活性清除ROS，逆轉促炎微環境，并重編程巨噬細胞為促修復M2表型；（4）創面修復：該水凝膠能顯著抑制炎癥反應、促進膠原沉積和血管新生，加速感染創面愈合。本研究構建的多功能C@Z基水凝膠平臺，為臨床生物膜感染的同步診斷與治療提供了新型診療一體化解決方案。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15743

來源: 馮Group