研究背景：
致病菌感染会破坏局部组织环境、消耗细胞养分并引发健康细胞凋亡，导致组织溶解坏死，造成临床治疗难题。虽然完整皮肤屏障通常能阻挡细菌侵入，但创伤（如刺伤、烧伤、割伤）会显著增加感染风险。感染伤口微环境中活性氧水平升高和酸性条件会阻碍正常愈合过程。临床常用抗生素治疗感染，但细菌形成生物膜后会产生强耐药性，增加治疗难度，且过量使用抗生素可能加剧细菌耐药问题。因此，急需开发新型抗感染策略。
针对上述问题，东北师范大学陈莉/中国科学院长春应用化学研究所肖春生团队设计并制备了一种NETs仿生丝状抗菌水凝胶（PETP gel），通过含氨基的抗菌聚合物PETP-NH₂与苯硼酸功能化氧化透明质酸（OHA-PBA）的席夫碱交联反应构建。该水凝胶展现出NETs模拟的动态丝状网络结构，结合OHA-PBA中苯硼酸与细菌表面脂多糖的相互作用，显著增强了细菌接触与杀菌效率。体内实验证实，PETP凝胶可加速化脓性皮下感染、全层伤口感染及深二度烧伤感染的愈合，显示出作为抗菌护理敷料的广阔应用前景。该文章于2026年01月07日以《A biomietic filamentous hydrogel with enhanced bacteria contact and bactericidal efficiency for the treatment of various skin infections》为题发表于《Biomaterials》（DOI：10.1016/j.biomaterials.2025.123968）。
研究示意图.合成与抗菌应用。（A）通过 OHA‑PBA 与 PETP‑NH2 的 Schiff base 反应制备 PETP 凝胶；（B）PETP 凝胶仿生 NETs 的网状结构与抗菌机理；（C）动态网通过静电作用与苯硼酸/脂多糖相互作用对接触到的细菌进行动态捕获；（D）作为抗菌敷料，PETP 凝胶在皮下化脓感染、全层创口感染与深 II 度烧伤感染模型中实现治疗。
（1）PETP凝胶的力学性能与形变行为
流变测试表明，在0.1至100 rad/s的频率范围内，凝胶的储能模量始终高于损耗模量，表现为弹性固体（图1A）。当剪切应变达到273%时，其内部网络被破坏，转变为粘性流动状态（图1B）。在1%与300%应变交替作用下，凝胶能快速恢复高弹性状态，且储能模量峰值在三轮循环后保持稳定（图1C）。同时，PETP凝胶表现出剪切稀化行为，粘度随剪切速率增加而迅速降低至流体状态（图1D）。该凝胶可在空气及水中被轻松挤出，实现按需注射（图1E）。扫描电镜分析显示，经多次注射成型循环后，凝胶的丝状网络结构仍得以保持，但规整度有所下降；其平均孔径维持在3.26–4.83 µm之间，纤维直径在0.16–0.24 µm范围内（图1F）。该网络结构源于活性氨基与醛基的席夫碱反应（图1G），使得不同凝胶块在接触后可实现融合与自愈合。这种动态愈合特性及其网状结构，使其能够适应如手指关节弯曲等变形（图1H）。
图1.PETP 凝胶的力学性质与变形行为。（A）在 37℃ 下，G′ 与 G″ 随频率变化；（B）剪切应变扫描确定网络破裂点；（C）1%/300% 交替应变时间扫描显示自愈恢复至高弹态；（D）黏度‑剪切速率关系体现剪切变稀；（E）空气/水下注射成型的宏观演示；（F）不同注射循环后凝胶的 SEM 纤维化网络；（G）自愈机理示意与“断裂‑接触”自愈照片；（H）手指关节弯曲下的黏附适配表现。
（2）PETP-NH₂的抗菌性能
PETP-NH₂对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度（MIC）均为25 µg/mL，最低杀菌浓度与MIC值一致，对MRSA和N10‑大肠杆菌等耐药菌株同样有效（图2A）。经64代共培养后，细菌对氨苄西林的MIC增至4倍，而对PETP-NH₂的敏感性保持不变（图2B）。抗菌机制研究表明，PETP-NH₂可引起细菌膜电位去极化，对大肠杆菌的作用接近多粘菌素B（图2C）；Zeta电位测试显示，MIC浓度下大肠杆菌的Zeta电位归零，金黄色葡萄球菌超过10 mV（图2D）。扫描与透射电镜观察证实，处理20-40分钟后细菌表面出现皱缩、膜粘连及质壁分离，60-120分钟后细胞结构崩解（图2E）。SYTO-9/PI荧光探针实验显示，0.6MIC和0.8MIC浓度下细菌呈现合并的橙色荧光，MIC浓度时仅被PI染色，表明磷脂膜功能丧失（图3A-B）；MIC浓度的PETP-NH₂分别在第40分钟（大肠杆菌）和第20分钟（金黄色葡萄球菌）引起明显膜损伤，120分钟内杀菌率达99.9%（图3C）。由于细菌膜含阴离子磷脂，而正常细胞体积更大、磷脂膜含量更高且缺乏此类阴离子脂质，PETP-NH₂对正常细胞表现出更高耐受性，体现"浓度触发"杀菌机制。
图2.抗菌聚合物 PETP‑NH2 的杀菌性质与机理（在图中简写为 PETP）。（A）对 E. coli 与 S. aureus 的 MIC 与 MBC；（B）以 ampicillin 为对照的耐药诱导；（C）在 MIC 条件下的膜去极化行为（与 polymyxin B、PBS、ε‑PLL 对照）；（D）不同浓度作用 120 min 后的细菌表面 Zeta 电位；（E）在 MIC 浓度与不同时间下的 SEM/TEM 形貌变化；（F）PETP‑NH2 的抗菌机理示意图。
图3.PETP‑NH2 的膜通透性破坏与杀菌动力学。（A）E. coli 与 S. aureus 经不同浓度处理 2 h 的 SYTO‑9/PI 双染与平板培养结果；（B）在 MIC 浓度下不同时间的杀菌率与荧光合并比统计；（C）2 h 处理下不同浓度的杀菌率与合并比统计。
（3）PETP 凝胶的抗菌活性及抗菌机理
PETP凝胶在50 mg/mL浓度下可杀灭所有微生物，接触40分钟后菌落显著减少，120分钟后杀菌率达100%，而商用QCC凝胶（含壳聚糖季铵盐、银离子和卡波姆）在120分钟后细菌数量仍高于10^7 CFU/mL（图4A-C）。对四种临床常见病原体（含两种耐药菌）的测试表明，PETP凝胶能在120分钟内实现完全杀灭，QCC凝胶则速度较慢且不完全；浓度梯度测试显示PETP凝胶对铜绿假单胞菌在各浓度下均具有更高杀菌效率。SYTO-9/PI荧光染色显示，接触20分钟后细菌即出现红色荧光，表明细胞膜选择透过性受损（图4D）；最初20分钟内细菌死亡率低于20%，但近80%出现明显膜损伤，20至60分钟期间SYTO-9与PI的复合荧光比例未下降（图4E, 4F）。Zeta电位测试表明，40分钟后两种细菌的Zeta电位完全逆转至正值（图4G）；PETP凝胶引起显著细菌膜电位去极化，对金黄色葡萄球菌的去极化程度高于大肠杆菌（图4H）。微观形态观察显示，接触20分钟后细菌表面出现"丝网状"结构并造成损伤，透射电镜显示接触处出现质壁分离（紫色箭头）；60分钟后部分"丝网"与细菌融合，细菌皱缩并出现大孔洞（蓝色箭头）；120分钟后大肠杆菌形态几乎完全丧失，仅见"环状"残留物，金黄色葡萄球菌则被凝胶网络捕获、融合并裂解（图4I）。动态交联的PETP凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的吸附量接近非动态PETPN凝胶的两倍，苯硼酸的引入使细菌捕获量提升近一倍（图5B, 5C）；FITC标记的HA-PBA和OHA-PBA均能与两种细菌结合形成聚集体，而不含OHA-PBA的PETP/CHO凝胶和不含PETP的OHA-PBA凝胶细菌捕获量显著降低，表明OHA-PBA和PETP-NH₂在细菌捕获中均发挥重要作用（图5B, 5C）。扫描电镜和荧光显微镜观察证实，PETP凝胶作用后大肠杆菌表面可见网状凝胶材料并将细菌交联成聚集体，金黄色葡萄球菌样品中亦观察到类似结构，而非动态PETPN凝胶组未观察到凝胶材料且细菌随机分散（图5D）。
图4.PETP 凝胶的体外抗菌性能与机理。（A）与商用 QCC 凝胶的杀菌性能对比（浸没法与接触法）；（B）接触处理后不同时间的平板照片与（C）菌液统计；（D）与（E）SYTO‑9/PI 双染示意与杀菌率统计，（F）合并比；（G）Zeta 电位变化；（H）DiSC3(5) 探针的膜去极化荧光；（I）不同时间后的 SEM 与超薄 TEM 切片形貌。
图5.动态纤维网络对细菌捕获的贡献。（A）非动态凝胶与动态凝胶表面的捕获示意；（B）平板培养照片与（C）不同凝胶表面接触 15 min 后的捕获统计（含是否引入苯硼酸的对照）；（D）与不同凝胶表面接触 15 min 的细菌 SEM 及 FITC 标记荧光显微图。
（4）PETP 凝胶的生物安全性
以L929成纤维细胞为模型、商用抗菌凝胶QCC和商用敷料TegadermTM为对照，评估了材料对细胞活性、增殖和迁移的影响。50 mg/mL浓度下，三种处理的细胞存活率均超80%，组间无显著差异（图6A）；Calcein AM染色显示各组细胞均呈伸长形态和绿色荧光，密度显著增加（图6B）。CCK-8法显示，培养24小时后PETP凝胶组细胞增殖率约为67.2%，略高于QCC凝胶（52.3%）和TegadermTM（49.8%）；48小时后增殖率达约131.4%，与对照组无显著差异（图6C）。划痕实验显示，24小时后各组划痕面积均明显缩小，48小时后所有样本愈合率均达约85%，PETP凝胶组愈合速度略高于空白对照组但无统计学差异（图6C）。急性溶血实验表明，50 mg/mL浓度下PETP凝胶溶血率低于5%，与商用对照组无显著差异（图6D）；红细胞形态观察显示，PETP凝胶、QCC凝胶和TegadermTM处理后的红细胞均保持正常双凹圆盘状，未出现肿胀、星形化或棘状化，与生理盐水对照组无明显区别，而Triton X-100阳性对照组导致红细胞完全裂解（图6E）。以人脐静脉内皮细胞（HUVEC）为模型的测试进一步证实，50 mg/mL浓度下PETP凝胶对细胞增殖活性和划痕覆盖的影响与对照组及商用产品无显著差异（图6F）。
图6.PETP 凝胶的生物安全性评估（L929 与 HUVEC）。（A）不同浓度下的细胞毒性；（B）Ca‑AM 活细胞荧光与划痕愈合图；（C）CCK‑8 增殖与划痕愈合率统计；（D）急性溶血率；（E）红细胞显微形貌（T‑100 为阳性对照）；（F）HUVEC 复测结果。
（5）PETP 凝胶用于多种感染性伤口愈合的体内评价
在小鼠金黄色葡萄球菌皮下化脓感染、大鼠深二度烧伤感染和小鼠全层皮肤伤口感染模型中，以抗生素青霉素（Pen）和商用QCC凝胶为对照评估了PETP凝胶的抗菌疗效。皮下化脓感染模型中，感染后第1天PETP凝胶+SA组未观察到水肿和脓疱，第5天皮肤完全恢复正常，而SA组病灶完全溃烂结痂，Pen+SA组出现局部溃烂坏死，QCC凝胶+SA组病灶肿胀隆起；第1天PETP凝胶+SA组病灶内细菌数接近零，第3天起体温和穿刺液细菌含量恢复正常，第13天体重显著增加，而Pen+SA组和QCC凝胶+SA组至第13天体温和体重才恢复正常（图7D, 7G）。深二度烧伤感染模型中，PETP凝胶+SA组第7天创面愈合率超72%，体温正常，分泌物菌落数几乎为零，第13天愈合超95%并伴有毛发再生；而Pen+SA组和QCC凝胶+SA组持续发热，第7天超40%创面仍有渗液，分泌物菌落数>5×10^7 CFU/mL，第13天未愈合创面分别约占初始面积的73%和69%（图7E, 7H）。全层伤口感染模型中，第13天仅PETP凝胶+SA组和单独PETP凝胶组创面完全愈合，且仅PETP凝胶组维持正常体温（图7F, 7I）。在小鼠生物膜感染全层伤口模型中，PBS组、QCC凝胶组和青霉素组创面迅速出现无法控制的坏死并在第14天扩展，而PETP凝胶诱导创面快速持续收缩，第10天接近完全闭合，第14天实现完全上皮化并伴有毛发再生；PETP凝胶使创面闭合恢复至接近生理水平，第8天菌落数降至接近检测限，第14天降至几乎无法检测，且全程维持正常体温（图8A-D）。
图7. PETP凝胶对多种皮肤损伤感染的体内抗菌性能。(A) 皮下感染模型、(B) 深II度烧伤感染模型和(C) 伤口感染模型的建立与治疗过程；(D) 皮下感染小鼠、(E) 深II度烧伤感染大鼠和(F) 伤口感染小鼠皮肤经SA、PETP凝胶+SA、青霉素(Pen)+SA、QCC凝胶+SA和PETP凝胶处理后的代表性图像（n=6）；(G) 皮下感染小鼠皮肤病损状态愈合指数（坏死、严重脓肿、脓疱形成、水肿、健康）、体重、体温（虚线-37.5°C）及组织菌落的统计分析；(H) 深II度烧伤感染大鼠伤口收缩、体重、体温（虚线-37.5°C）及组织菌落的定量分析；(I) 伤口感染小鼠伤口收缩、体重、体温（虚线-37.5°C）及组织菌落的定量分析。
图8.PETP 凝胶在小鼠生物膜感染全层创口模型中的疗效。（A）不同处理组 14 d 内的创面图像（除 Con 组外均为感染）；（B）创面收缩率；（C）组织菌落负荷（log10 CFU/mL）；（D）体温监测（虚线 37.5℃）。
（6）病理学与免疫组织化学分析
对实验动物皮肤进行苏木精-伊红（HE）染色和Masson染色病理学分析。皮下黏膜感染部位HE染色显示，SA组因大量脓液积聚出现空腔，感染边界可见深紫色脓液区域，Masson染色显示整个视野缺乏蓝色胶原组织，完全被暗红色纤维性血痂覆盖；PETP凝胶处理组皮肤形态完全正常，可见清晰胶原填充上皮细胞，皮质内细胞器分布均匀且分化正常，部分毛囊已开始形成（图9A, 9B）。青霉素和QCC凝胶对感染有一定抑制作用但最终复发并导致皮肤坏死；PETP凝胶处理组化脓区域皮肤坏死程度显著低于青霉素和QCC凝胶组，病变皮肤胶原沉积程度和成熟皮肤面积比例显著高于其他实验组（图9C）。深II度烧伤HE图像显示，SA组表皮完全缺失，皮肤与血痂间存在明显间隙；青霉素治疗组和QCC凝胶治疗组观察到丰富肉芽组织，Masson染色显示烧伤缺损已被填充并有不同程度胶原沉积，但未观察到功能性细胞器形成（图10A, 10B）；PETP凝胶处理组已能观察到分化的附件结构和毛孔形成，表皮与真皮界限清晰并伴有皮下脂肪积聚，表明烧伤组织已基本恢复正常皮肤功能（图10C）。
图9.皮下化脓感染模型的组织学与定量。（A）不同处理组的 HE 染色（下方为局部放大，标注炎性渗出、毛囊与表皮）；（B）Masson 染色；（C）第 5 天坏死程度、胶原累积与成熟区域比例的统计（n=6，p<0.01，*p<0.001）。
图10.深 II 度烧伤模型的组织学与定量。（A）HE 染色（下方为局部放大）；（B）第 14 天的 Masson 染色；（C）第 14 天成熟区域、胶原累积与肉芽面积的统计（n=6，p<0.01，*p<0.001）。
「 研究小结 」
该研究成功开发了一种具有NETs 模拟丝状结构的固有抗菌水凝胶（PETP gel）。该水凝胶凭借类 NETs 的动态网状结构及苯基硼酸与细菌表面脂多糖的特异性相互作用，显著提升了与细菌的接触效率和杀菌活性，且生物安全性与商用凝胶相当。体内实验证实，PETP 凝胶能有效清除化脓性皮下感染、全层伤口感染、深二度烧伤感染及生物膜相关感染，显著加速伤口愈合，其疗效优于商业 QCC 凝胶和青霉素。该水凝胶为临床难治性和生物膜易感性伤口的治疗提供了极具潜力的抗菌护理敷料，未来可进一步探索其在糖尿病溃疡等慢性伤口中的应用，并整合促血管生成、免疫调节或响应性药物释放等功能，拓展其临床实用性。
