文章背景

抗菌水凝胶被广泛应用于生物医学和智能纺织品等多个领域，现已成为新的研究热点。抗菌水凝胶的抗菌谱由携带的抗菌组分决定，各种材料对不同菌株具有不同的抗菌性能。来自齐齐哈尔大学轻工业与纺织学院的刘杰副教授等学者在 Gels 期刊发表的文章，根据抗菌模式的不同，将抗菌水凝胶分为五种类型 (如图 1)：含无机纳米粒子的抗菌水凝胶；负载抗生素的抗菌水凝胶；具有固有抗菌活性的水凝胶；光敏抗菌水凝胶；以及具有协同效应的抗菌水凝胶。

图 1. 抗菌水凝胶的分类。

抗菌水凝胶的分类及抗菌机理

· 含无机纳米粒子的抗菌水凝胶

无机纳米颗粒由于其广谱抗菌性和非耐药性而受到广泛关注。金属离子在邻位-对位质子转化反应中表现出的高催化活性，使金属纳米颗粒吸引了研究人员的目光。金属氧化物可以与材料表面相互作用，因此纳米颗粒形式的金属氧化物同样成为了重要的研究对象。

目前，银纳米粒子的抗菌机理可归纳为六种类型 (如图 2)：干扰细菌蛋白质合成；抑制细菌呼吸链；诱导细菌遗传毒性；诱导细菌蛋白质光催化破坏；诱导细菌细胞膜破裂；诱导细菌氧化应激反应以产生活性氧。氧化锌纳米颗粒可以通过多种机制杀死微生物：结合细菌细胞膜并破坏细胞膜的脂质和蛋白质；诱导 Zn2+ 和活性氧的形成；增加细菌细胞膜渗透性并对细胞质施加氧化应激；紫外线照射产生自由基。

图 2. 银纳米粒子的抗菌机理。

· 负载抗生素的抗菌水凝胶

抗生素通常用于治疗细菌感染。三维网络多孔结构使水凝胶能够用作装载抗菌药物的递送系统。抗菌水凝胶可以在局部少量释放药物，降低细菌对抗生素的耐药性，并长期提供足够的杀菌剂量。抗菌水凝胶中常用的抗生素可分为氨基糖苷类 (庆大霉素和链霉素)、糖肽类 (万古霉素) 和喹诺酮类 (环丙沙星和左氧氟沙星)。常规抗生素的主要杀菌机制如下：糖肽类抗生素抑制细菌细胞壁的合成；氨基糖苷类抗生素阻断蛋白质合成途径；喹诺酮类抗生素抑制核酸的合成。

· 具有固有抗菌活性的水凝胶

抗菌肽作为一种新型非抗生素抗菌剂，是最有可能替代抗生素的药物。许多研究认为抗菌肽的抗菌机理是通过静电吸附在细菌脂质膜上，破坏内外屏障，导致膜通透性增加，无法维持正常的渗透压。同时也有一些研究认为，抗菌肽通过抑制细菌细胞膜合成、DNA 合成和酶活性来抑制细菌代谢行为 (如图 3)。

图 3. 细胞内抗菌肽活性的作用方式。

壳聚糖是一种典型的抗菌阳离子聚合物。其分子链中的氨基可以在酸性环境中质子化。壳聚糖衍生物如壳聚糖季铵盐在中性 pH 中具有良好的溶解度，显著增强了其在中性环境中的抗菌活性。

两性离子水凝胶的抗菌机理与抗菌肽相似。带正电的聚合物分子链通过离子配位与带负电的细菌细胞膜结合，阻碍内部和外部物质的运输，影响细菌内外的渗透平衡，导致细胞内基质流出。

· 光敏抗菌水凝胶

光动力疗法是另一种有效的抗菌方法。在适当波长的光影响下，光敏剂被刺激产生活性氧或单线态氧，导致细菌细胞膜破裂，蛋白质结构破坏和失活。以这种方式对抗细菌感染不会导致耐药细菌的出现。光热疗法可以有效避免传统抗生素在杀死致病菌和治疗伤口感染方面的缺点。

· 具有协同效应的抗菌水凝胶

协同抗菌水凝胶是指具有两种或多种抗菌模式协同作用以提高抗菌性能的抗菌水凝胶。有许多抗菌水凝胶产品通过银纳米颗粒与抗生素或氧化石墨烯的协同作用来增强水凝胶的抗菌效果。

文章总结

根据抗菌模式的不同，作者将抗菌水凝胶分为五种类型并阐述了这些抗菌水凝胶的抗菌机理。银纳米颗粒由于其优异的生物相容性、广谱抗菌性能和非耐药性，被认为是有前途的抗菌材料；抗菌肽和阳离子聚合物也被用于合成有效治疗细菌感染的天然抗菌水凝胶；壳聚糖和银纳米颗粒的组合具有独特的前景和协同抗菌效果。

原文出自 Gels 期刊

Liu, J.; Jiang, W.; Xu, Q.; Zheng, Y. Progress in Antibacterial Hydrogel Dressing. Gels 2022, 8, 503.

Gels 期刊介绍

主编：

David Díaz Díaz, Universidad de La Laguna, Spain

期刊主题覆盖凝胶、有机凝胶、水凝胶、离子凝胶、干凝胶、胶体凝胶、凝胶化机理相关的计算模型及凝胶材料相关的合成、表征和应用等。

2021 Impact Factor：4.432

2021 CiteScore：4.2 

Time to First Decision：10.9 Days

Time to Publication：35 Days

本文撰稿人

黄颖 博士研究生

西安交通大学