抗菌水凝膠在預防感染和生物醫學的應用逐漸引起瞭大傢的廣泛關註。傳統的含抗生素和含金屬納米顆粒的水凝膠往往會引起細菌耐藥性，表現出較低的生物相容性，缺乏實時監測能力。針對上述問題，來自江南大學的孫秀蘭教授團隊在Journal of Hazardous Materials上發表瞭題為“Carbon Dots-releasing Hydrogels with Antibacterial Activity, High Biocompatibility, and Fluorescence Performance as Candidate Materials for Wound Healing”的研究性論文。作者通過陽離子碳點（CDs）、果膠和丙烯酸觸發交聯劑構建水凝膠網絡，開發出具有抗菌能力、光學性能優異、生物相容性好的熒光抗菌水凝膠。通過簡單的水熱法合成瞭抗菌的高陽離子CDs，利用細菌生長導致周圍環境變化，引起氫鍵斷裂，使CDs從水凝膠中釋放出來。

首先，作者利用首先使用各種前驅體和水熱合成路線制備陽離子CD，合成陽離子CD抗菌水凝膠。然後，將丙烯酸（AA）、果膠、陽離子CDs、過硫酸銨（APS）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDA）滲透到三維共聚網絡，以AA和果膠（SCDs-AP）水凝膠形成亞精胺-CDs。通過在聚丙烯酸和果膠之間形成酯鍵構建水凝膠網絡，CDs表面的氨基與聚丙烯酸和果膠的羧基反應生成氫鍵，最終形成水凝膠（圖1）。

圖1 研究設計思路

如圖2所示，分別為La-Y-CDs、Spe-Y-CDs和Y-CDs的光學性質。La-Y-CDs、Spe-Y-CDs和Y-CDs的最佳發射波長分別為600、430和575 nm，最佳激發波長分別為400、320和420 nm。同時也檢測瞭La-Y-CDs、Spe-Y-CDs和Y-CDs的紫外可見吸收。La-Y-CDs、Spe-Y-CDs和Y-CDs的熒光量子產率分別為0.36%、3.82%、2.15%。CDs的光致發光特性使其具有優良的光學特性，可用於生物成像、熒光檢測、光學器件和光動力治療、光催化等領域。

8bee2c31b0969d34890ab03ab6a49466圖2 La-Y-CDs的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜

CDs由於其高度正表面和超小尺寸的特性，可以用於對抗細菌。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和耐多藥沙門氏菌傷寒（MRST）對三種CD及其前體的抗菌性能進行瞭評價。結果顯示瞭25 mg/mL時的抗菌活性，顯示7株菌株的Spe-Y-CDs的MIC值。表面的氨基，超高的正電荷，和Spe-Y- CDs的小粒徑有助於快速與細菌結合（表面負電荷），破壞細菌的表面電荷，然後進入細菌（圖3）。

46366adb9374c5464dcf72940fc45c32圖3 不同組分的抑菌率檢測

之後，作者對合成的熒光抗菌水凝膠（FAH-gel）進行表征。在AP、LCDs-AP、CDs-AP和SCDs-AP水凝膠中加入不同的CDs作為熒光和抗菌元素，添加CD的不同，得到的水凝膠的顏色也不同。25%、50%、75%和100% SCDs-AP具有不同的Spe-Y-CD含量。且隨著CD數量的增加，水凝膠的顏色逐漸加深。

然後，作者對四種不同水凝膠的抗菌活性進行評價。結果顯示SCDs-AP水凝膠對MRSA的抗菌效果優於MRST，與平板培養結果一致。同時，利用成纖維細胞研究SCDs-AP水凝膠的生物相容性和細胞親和力， L929成纖維細胞在AP、LCDs-AP、CDs-AP和SCDs-AP水凝膠上培養。用激光共聚焦掃描顯微鏡觀察水凝膠的細胞粘附和擴散活性。這些結果表明，Spe-Y-CDs在增強SCDs-AP水凝膠的細胞粘附和生物相容性方面發揮瞭重要作用，具有潛在的體內應用價值（圖4）。

圖4 各種CD水凝膠的抗菌活性以及3天細胞在水凝膠上增殖情況

再得到上述結果之後，作者又通過透射電鏡和掃描電鏡觀察AP和SCDs-AP水凝膠處理後MRSA（革蘭氏陽性菌）和MRST（革蘭氏陰性菌）的形態學變化，進一步探討其抗菌機制。結果顯示細菌生長良好，沒有被破壞或消滅。而與SCDs-AP水凝膠孵育3 h後，MRSA和MRST細菌表面出現損傷和皺褶，許多細菌的內容物外泄，說明SCDs-AP水凝膠是通過破壞細菌細胞壁或細胞膜來達到抗菌作用。因此，SCDs-AP可用於抗菌應用（圖5）。

7da995c96e9e017e149c56e220e46c8a圖5 水凝膠處理前後的MRSA和MRST的TEM（左）和SEM（右）

最後，作者進一步利用在兔模型對SCDs-AP水凝膠的抗菌活性進行瞭評價。將純化的SCDs-AP水凝膠皮下植入兔背部。AP水凝膠組創面仍有明顯的膿皰和疤痕，而SCDs-AP水凝膠組創面基本愈合。然後，手術部位被切開，觀察暴露皮膚下的炎癥和感染情況。結果顯示，AP水凝膠組充滿化膿，而SCDs-AP水凝膠周圍組織未被感染。SCDs-AP水凝膠治療組幾乎沒有水腫組織和多核巨細胞，僅有少量輕微感染，SCDs-AP水凝膠周圍皮膚組織狀態良好，修復良好。這些結果表明SCDs-AP水凝膠在體內具有抗菌作用，可用於安全治療傷口感染（圖6）。

圖6 水凝膠體內抑菌活性檢測

在本研究中，作者用含氨基CDs與果膠反應合成瞭熒光抗菌水凝膠。該凝膠對非耐藥菌（MRST）和耐多藥菌（MRSA）具有較高的抗菌活性。為進一步拓展抗菌CDs的生物學應用，合成瞭基於CDs、果膠和AA的熒光抗菌水凝膠，由於水凝膠網絡中的高正電荷CDs，這些水凝膠具有內在的抗菌性能。同時，CDs在水凝膠中分散良好，制備的水凝膠具有更好的多色熒光。添加瞭果膠和CDs, SCDs-AP水凝膠具有很高的生物相容性。此外，添加果膠後，SCDs-AP水凝膠表現出較高的組織親和力和良好的細胞粘附性能。這些特性形成的原因來自於CD氨基和AA羧基之間的相互作用。因此，該熒光抗菌水凝膠具有長期固定的抗菌活性和優良的熒光性能，避免瞭抗生素使用中的許多問題。SCDs-AP水凝膠集抗菌性能、熒光傳感、良好的機械性能和優異的細胞親和力於一體，具有廣泛的生物應用前景。

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