光敏抗菌复合水凝胶的辐射制备及应用现状

刘东亮 饶璐 赵媛 杨金玉 王亚洋 宋晓芳 李月生,3

1（湖北科技学院药学院 咸宁 437000）

2（湖北科技学院辐射化学与功能材料湖北省重点实验室 咸宁 437000）

3（咸宁市高新水凝胶敷料产业技术研究院 咸宁 437000）

传统抗生素的滥用导致了抗生素耐药性的问题，这使得治疗感染变得极其困难，抗细菌感染已经成为世界上最大的公共卫生问题之一［1］。微生物中新出现的耐药性促使研究人员急需寻找新的、高效的抗菌材料，与人体接触的抗菌材料应具有无毒、无菌和生物相容性优良等特性。为克服这一问题，一些新型抗菌剂，如碳纳米管［2］、金属纳米颗粒［3］、聚合物［4］、多肽［5］、水凝胶［6］已经被开发出来。

近年来，微波光谱疗法、声动力学治疗和光激活疗法作为有效和快速的抗菌方法，引起了广大科研工作者的关注。图1（a）展示了基于活性氧（ROS）的光动力疗法（Photodynamic therapy，PDT），和基于热疗的光热疗法（hyperthermiabased photothermal therapy，PTT），即从紫外线（UV）到近红外（NIR），选择合适的光激活光响应材料，该类材料通过吸收光能产生ROS 和/或超热条件，在短时间内有效地杀死病原体［7］。图1（b）展示了水凝胶的光动力治疗。相比其他抗菌方法，该技术可以通过快速杀死细菌来避免耐药性。与常规的抗生素治疗相比，治疗的位置、强度和时间可以方便地控制，新开发的治疗方法可以靶向感染部位，而不会损伤其他器官或周围组织。

图1 光反应抗菌系统：(a)光敏抗菌材料和基于ROS的PDT示意图；(b)水凝胶基于高温的光热疗法(PTT)示意图Fig.1 Illustration of photoresponsive antibacterial systems:(a)schematic illustration of photoresponsive antibacterial materials and ROS-based PDT;(b)schematic illustration of the specific mechanism of hydrogel based on PTT

抗菌水凝胶相比于其他材料，成本低且容易获得，通过电子束辐照可以获得具有不同溶胀性能、力学强度和多孔微观结构的复合水凝胶。通过调控辐射工艺参数，可获得具有高效抗菌活性的水凝胶［8］。传统的水凝胶制备工艺需要添加引发剂、交联剂、催化剂等，导致了聚合产物纯度低、聚合反应过程较慢、效率低、聚合反应可控性低、合成过程易产生污染等缺点［9］。本综述主要介绍使用电离辐射方法，将光敏抗菌材料和水凝胶相互结合，有效构筑光敏抗菌水凝胶及其应用现状。

1 辐射制备光敏抗菌水凝胶的技术原理

1.1 基于PTT或PDT的光敏抗菌水凝胶

在光刺激下，多种材料（包括贵金属纳米材料、金属氧化物和聚合物纳米复合材料）能将光能转化为热能从而杀死致病菌。这种治疗策略被称为PTT，所使用的材料被称为光热剂（PTAs）。利用辐射交联水凝胶的方法将PTAs 和水凝胶结合，制备的水凝胶即为基于PPT 的光敏抗菌水凝胶，其可吸收NIR 光并产生热量，通过局部热疗损害细菌结构，破坏细胞膜通透性，最终导致细菌死亡。PTT光敏抗菌水凝胶具有抗菌谱广、不会导致细菌耐药性或副作用等优点。

基于PDT 的辐射制备的光敏抗菌水凝胶，即应用辐照技术将光敏剂（PSs）与水凝胶交联或接枝结合。目前常用的PSs有卟啉［10］、有机染料［11］、共轭聚合物［12］、氧化锌［13］、二硫化钼［14］、黑磷［15］、石墨烯及其衍生物［16］。PSs 在适当波长的光照射下产生ROS，以达到杀灭细菌的目的。大量研究证明，PSs对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有良好的杀菌效果［17-19］，但也存在溶解性低、易聚集、潜在毒性、生物相容性低、可见光利用效率有限等问题［20-21］。利用PTT和PDT的协同作用，该水凝胶在5 min 内表现出优越的抗菌作用。此外，与纯水凝胶和医用纱布相比，抗菌水凝胶可降低伤口感染，更有效地促进伤口愈合。

1.2 PTT 或PDT 协同外源性抗菌方法的光敏抗菌水凝胶

利用辐射方法制备的光敏抗菌水凝胶与光［22］、磁场［23］、超声波［24］、电场［25］或微波［26］等外源性抗菌方式（表1）结合的水凝胶，即为PTT或PDT协同外源性抗菌方法的光敏抗菌水凝胶。

表1 外源性光敏抗菌水凝胶的特点及其抗菌机理Table 1 Characteristics and antibacterial mechanism of exogenous photosensitive antibacterial hydrogels

外源性抗菌剂的优点包括高可控性、快速反应性、精确靶向性、低侵袭性和良好的生物相容性等。将光敏抗菌水凝胶与外源性抗菌剂结合，可以达到更强的抗菌效果［27］。

续表

2 辐射制备光敏抗菌水凝胶及其抗菌活性

辐射制备水凝胶的辐射源包括60Co和电子加速器［28］等。γ 射线有极强的穿透能力，而电子束穿透能力较弱。辐射制备水凝胶的方法有固态辐射聚合、水溶液辐射聚合、单体辐射接枝共聚等。光敏抗菌水凝胶是利用辐射技术将光敏纳米粒子和水凝胶结合，赋予水凝胶显著的抗菌性能。

2.1 电子加速器辐射制备

李月生等［8］采用聚乙烯醇（PVA）、羧甲基壳聚糖（CMCS）和纳米二氧化钛（TiO2）为原料，通过物理冻融和能量为1 MeV 的电子束进行30 kGy 吸收剂量辐照处理，制备了纳米TiO2/CMCS/PVA 三元光敏抗菌复合水凝胶。用抗菌圈法、平板计数法和细胞密度法测定了复合水凝胶的抗菌活性和细胞毒性。图2证明了其对大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）均具有显著的抗菌活性。纳米TiO2与聚合物之间的协同效应等有助于提高抗菌性能，而且通过控制聚合物组分和辐照条件可以准确调控水凝胶的力学性能，能赋予水凝胶更良好的吸水性、柔韧性、生物相容性、有效性及安全性，将复合水凝胶用作光催化剂，水凝胶能为光催化提供极其有利的光敏协同增效的催化平台，使得抗菌效果进一步增强；采用了生物可降解的天然聚多糖材料，自身缓慢降解的同时留存的纳米TiO2可回收利用，达到了循环利用之目的，进一步节约了生产成本；将光敏、抗菌有机统一，改变了水凝胶的力学性能、生理生化性能及其使用寿命，多元复合的协同增效也改变了光催化途径，使得纳米TiO2的作用得以最大发挥。

图2 不同水凝胶对大肠杆菌(左)和金黄色葡萄球菌(右)的细菌密度曲线[8]Fig.2 Curves of the bacterial density on different hydrogels against E.coli(left)and S.aureus(right)[8]

李婷婷等［29］也使用循环冻融和电子束辐射（吸收剂量30 kGy）制备了氮化碳（g-C3N4）/CMCS/PVA 三元复合光敏抗菌水凝胶。利用抑菌圈法和平板计数法测定的抑菌结果（图3）表明，g-C3N4/CMCS/PVA光敏抗菌水凝胶对E.coli的抗菌活性优于单组分PVA 水凝胶和CMCS/PVA 复合水凝胶，表明其对E.coli具有优良的抗菌活性，而此光敏抗菌水凝胶的缺点是对于革兰氏阳性菌S.aureus的抗菌活性较低，与纯PVA水凝胶相似，后期需进一步改善其抗菌谱。

图3 g-C3N4/CMCS/PVA对E.coli和S.aureus的影响[29]Fig.3 Effects of g-C3N4/CMCS/PVA on E.coli and S.aureus[29]

柳国等［30］利用能量为1～MeV电子器，将水凝胶与光热剂进行总吸收剂量为50 kGy的辐射处理，制备了pH/温度/磁三元协同响应型N-异丙基丙稀酰胺/高取代羟丙基纤维素/四氧化三铁（NIPAAM/HHPC/Fe3O4）复合水凝胶，此水凝胶中掺杂的光热剂Fe3O4协同磁场，不仅在药物控释与给药递送系统等方面有极大的应用前景，且抗菌结果表明，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有良好的抗菌作用，有望应用于皮肤创伤领域。

Arab 等［31］将3.5 g PVA 溶于90 ℃的90 mL 蒸馏水。然后，在PVA 溶液中加入1 g 琼脂，搅拌1 h，并在溶液中加入不同重量比（0.05%、0.1%、0.2%）的光敏剂氧化锌纳米颗粒（ZnO）。溶液置于80 ℃的超声波浴中20 min，去除气泡，然后倒入模具中。将制备的凝胶样品放在铝箔中，利用10 MeV加速器，以25 kGy总吸收剂量制备了聚乙烯醇（PVA）/琼脂/ZnO 水凝胶。抗菌实验表明，不同质量比的ZnO 对枯草芽孢杆菌的抗菌作用无明显差异，机械性能分析表明，质量分数0.2%的ZnO 纳米粒力学性能最好，伸长率可达到140%，水凝胶有足够的强度抵抗撕裂，有望应用于伤口敷料。

2.2 γ射线辐射制备

Swaroop 等［32］使用γ 射线进行PVA 与硝酸银（AgNO3）的辐射交联，Ag+离子被还原成光热剂银纳米粒子（AgNP），Ag 纳米粒子被聚乙烯醇（PVA）基体包裹。研究表明：Ag/PVA 水凝胶对E. coli和S. aureus这两种细菌均有明显的抑菌活性，但纯PVA 水凝胶对这两种细菌都没有表现出抗菌活性。Swaroop等［33］采用γ射线辐射制备光敏剂氧化锌（ZnO）与PVA 的复合水凝胶，并对该复合水凝胶的体外抗菌活性进行了研究。研究结果表明：ZnO/PVA 水凝胶对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均具有良好的杀灭作用，其抗菌作用可能是由于氧化锌与细胞表面之间的直接作用或静电相互作用。

Leawhiran 等［34］将不同重量比的明胶溶液与PVA 溶液分别以100∶0、80∶20 和60∶40 混合，并在30 kGy、40 kGy 和50 kGy 的γ 射线下辐照。物理性能试验表明：当辐照吸收剂量为30 kGy 时，质量比为60∶40 的水凝胶效果最佳，且PVA 的加入可以提高耐久性和机械完整性。选择0.25%、0.50%、0.75%或1.00%（根据固体含量）加入AgNO3，经过γ射线辐照后，形成了光热剂银纳米颗粒（AgNPs），提高了复合水凝胶的抗菌性能，抗菌实验表明，当AgNP含量为1.00%时，抗菌效果最佳。对AgNP/明胶/PVA 水凝胶的物理性能、细胞毒性和抗菌活性的表征显示，其具有适当的物理性能、非细胞毒性，并可以抑制被测细菌的生长，可以作为抗菌伤口敷料。

3 辐射制备光敏抗菌水凝胶的特点

相比其他方法（表2），辐射制备光敏抗菌水凝胶更加纯净，无引发剂和催化剂残留，无需加热，其次在辐射合成的过程中对水凝胶进行辐射灭菌，降低了成本，并且辐照均匀，便于批量制备。由于上述诸多优点，辐射制备水凝胶适合用于生物医用领域。

表2 不同水凝胶制备方法的对比分析Table 2 Characteristics and disadvantages of different hydrogel preparation methods

4 应用

目前，辐射交联制备的光敏抗菌水凝胶主要用于医学领域［35-36］，如伤口敷料领域（图4）。20世纪90 年代，我国就使用辐射交联的方法制备水凝胶创面敷料，通过临床疗效观察表明，水凝胶敷料可以起到药物缓释作用，长期使用能有效缓解疼痛，减少伤口渗出液，加快伤口愈合，减少换药次数，效果优于常规敷料［37］。李月生教授等［38］提出了一种天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料及辐射合成方法（ZL 201410313534.X）。该发明的优点：反应条件温和，反应过程不添加交联剂、引发剂以及任何对人体有毒的物质，对皮肤不会产生不良影响，且具有保湿降温、止血收敛、抑菌杀菌、促进伤口愈合、吸附伤口渗出液、保持伤口环境湿润等功能；特别适用于保湿美容美白面膜、降温退热贴，烧伤、烫伤、糖尿病溃疡等创面伤口的保护和愈合，且在愈合过程中不结痂，减少疤痕的形成；水凝胶制备、塑形及灭菌过程可同步完成，大大简化了生产工艺，节约成本，提高了产品的保质期和使用寿命。

图4 光敏抗菌水凝胶的应用Fig.4 Application of photosensitive antibacterial hydrogel

综上所述，使用透气的背衬层和与皮肤直接接触的复合光敏抗菌的增强水凝胶敷料是解决传统敷料固有缺点的有效途径，这种复合型水凝胶敷料给创面提供一个湿润、透气的抑菌环境、并能充分缓冲外界给予创面的冲击力，是一种真正意义上的创面保护材料，具有广泛的应用前景。

5 总结

采用辐射技术制备的光敏抗菌水凝胶具有方法简便、单体选择范围广、产品纯净等优点。但同时也存在一些问题：光敏抗菌效果还有待提升；无机纳米抗菌粒子与水凝胶的界面耦合机制尚不清楚；无机纳米抗菌粒子与水凝胶的光热协同抗菌机制还有待进一步探究；目前国内辐射交联规模化生产水凝胶产品的工艺研究尚有不足之处，而且电子加速器和钴源初始投资成本大，工作场所需要采取辐射防护措施，水凝胶产品规模化生产效率仍有巨大的提升空间，一定程度上也制约了辐射制备新产品的上市和推广进度。未来方向：进一步拓展可见光光谱响应范围至近红外区，甚至达到全光谱响应范围；开发原位辐射制备光敏抗菌水凝胶的新方法、新体系、新原理；设计并开发光敏抗菌水凝胶敷料的卷材、涂布等新工艺、新设备，为工业化生产奠定基础。相信未来辐射技术制备的光敏抗菌水凝胶，在不同领域将会得到更为广泛的应用，例如：组织工程支架等方面的商业化产品有限，其开发潜力巨大，希望辐射制备的光敏抗菌水凝胶可以在这些领域得以应用。