文章题目：A Covalently Crosslinked Alginate Hydrogel Platform with Alginate Oligosaccharide for Tunable Mechanics and Enhanced Antibacterial Function

发表期刊：Applied Biological Chemistry

影响因子：4.2（2026）

通讯单位：全南国立大学

研究背景

        伤口愈合是依次递进且相互重叠的止血、炎症、增殖、重塑四阶段复杂组织修复生物学过程，伤口敷料可防护创面，理想敷料除物理隔绝创面外，还需构建适配人体生理的弹性、湿润无菌微环境；干燥创面会抑制细胞迁移增殖、阻碍组织再生，适度湿润环境则能促进细胞活动、胶原合成与上皮修复，减少瘢痕且不增加感染风险，但慢性创面过湿易蓄积蛋白水解酶与促炎因子，延缓愈合甚至加重创面损伤，可见敷料理化特性直接影响创面愈合时长与修复效果。

        褐藻胶是褐藻来源天然多糖，兼具良好生物相容性与优异成胶特性而广受研究，其分子由甘露糖醛酸（M）、古罗糖醛酸（G）片段构成，遇钙离子可形成“Egg-Box”结构离子交联凝胶，对应的水凝胶现已广泛用于组织工程、药物递送及伤口敷料等领域且应用范围仍在拓展；但该类凝胶性能高度依赖M/G片段比例，高G型凝胶网络致密、力学强度更高，高M型则柔性弹性更优，而褐藻品种、生长条件、产地及提取工艺均会改变M/G比值，造成凝胶性能波动，不利于标准化批量制备与实验重复。同时生理环境中钙离子易持续析出，经线粒体诱导活性氧（ROS）产生并引发细胞毒性，且离子交联凝胶仅依靠离子键可逆断裂重组缓冲应力，在创面动态受力条件下易出现结构破损，稳定性不及共价交联水凝胶。

        为改善离子交联褐藻胶水凝胶的固有缺陷，可采用EDC/NHS构建共价交联褐藻胶水凝胶以增强结构稳定性与细胞相容性，该交联体系无需钙离子，可规避离子析出带来的细胞毒性，适用于伤口敷料；现有伤口敷料常复合生物活性分子改性，本研究引入褐藻胶降解得到的褐藻寡糖（AOS），其相关动物实验证明AOS可调节肠道菌群、促进短链脂肪酸分泌、减轻炎症，高G片段寡糖还能瓦解细菌生物膜并增敏抗生素，本研究中AOS主要用于调控凝胶基质、增效共固定功能因子，为AOS功能化材料研发提供实验依据；同时本文章接枝抗菌肽GGG-GNU7赋予水凝胶抗菌能力，该抗菌肽带正电且含α-螺旋结构，可经静电作用破坏细菌细胞膜，对多重耐药菌在内的广谱致病菌均有抑制效果。

        基于此，这篇文章制备接枝AOS的共价交联褐藻胶水凝胶并固载抗菌肽，检测材料溶胀、保水性能评价亲水性，通过单轴压缩测试表征杨氏模量、滞后耗散能等力学指标，测定最低抑菌浓度后开展接触抑菌实验验证抗菌活性，结果证实AOS与抗菌肽共修饰可同步优化共价交联水凝胶综合性能且维持良好细胞相容性，为多功能创面敷料开发提供支撑。

        研究首先参照已有文献方法，以EDC、NHS为活化试剂构建褐藻胶共价交联体系（图1）。并构建了离子交联水凝胶和赖氨酸交联水凝胶分别作为对照样品。

图1 共价交联水凝胶制备路线

        图2可见，无论离子交联或共价交联体系，各组水凝胶宏观外观无明显差异；乙二胺（EDA）、赖氨酸交联剂（Me-Lys）、不同AOS添加量仅带来透明度、色泽微弱变化。说明水凝胶的交联方式不会显著改变宏观形态。

图2 不同交联体系水凝胶实物图

        接下来，作者对水凝胶的机械性能进行了评估，干燥失水、复吸水变化曲线分别见图3A、3B，平衡溶胀时离子交联水凝胶吸水倍率约3000%，共价交联凝胶仅约2000%，两类凝胶自然风干失水速率无明显区别，但完全干燥后共价凝胶复溶胀性能远弱于离子凝胶，且复合AOS会进一步降低复溶胀倍率，添加量越高，复吸水能力越差（图3C）。究其机制，两类凝胶初始持水量均较高，脱水后共价交联网络会发生不可逆塌陷致密化，孔隙与毛细通道受损，共价键束缚分子链导致复水时网络难以舒展，AOS还可强化分子间作用力、填充基质空隙，进一步抑制孔隙恢复；从应用角度，该亲水特性表明复合AOS的共价交联水凝胶适配低渗、干燥创面，可长效保湿，而离子交联凝胶复水性能优异，更适合高渗出创面快速吸收渗液。

图3 水凝胶保水、复溶胀性能曲线

        单轴压缩测试得到的压缩模量汇总于图4A：共价交联凝胶压缩模量2-5 kPa，离子交联凝胶模量高达184.5 kPa，相差约40倍。力学差异根源是两种交联网络的受力承载机制完全不同：离子交联凝胶抗形变能力强，但硬度太高，难以贴合皮肤动态活动，敷料与创面摩擦易造成不适、二次损伤。健康人体皮肤弹性模量区间为5-100 kPa，共价交联凝胶模量落在皮肤生理弹性下限区间，贴合性更好，更适配伤口敷料场景。通过单次加载-卸载压缩循环评价能量耗散，滞后率结果见图4B：加载、卸载曲线包围面积代表滞后损耗，即材料通过内摩擦、微观结构重排消耗的机械能。共价交联凝胶滞后率约40%，弹性储能效率高、不可逆形变少；离子交联凝胶滞后率高出20%，形变过程能量损耗更大。这在于离子交联键可逆：外力作用下离子键反复断裂、重组，机械能大量损耗，而非储存在网络弹性结构中。因此离子交联凝胶循环受力易疲劳、长期结构易降解；共价交联凝胶反复受力仍可维持结构完整，适合需要稳定力学、抗疲劳的伤口敷料场景。

图4 水凝胶压缩模量与滞后率

        抗菌肽可通过静电结合细菌细胞膜、以类表面活性剂机制破坏膜结构发挥抑菌作用。本研究先通过MIC实验评价游离GGG-GNU7对大肠杆菌DH5α、江苏异栖菌的活性（图5A、5B），肽浓度≥ 2 μM时可完全抑制两种菌株生长，低浓度下抑菌效果呈剂量依赖性，该结果与已有文献相符，证实N端GGG间隔序列不会降低多肽活性，GGG-GNU7仍具备广谱抗菌能力。

图5 水凝胶抗菌性能评估

        将多肽共价接枝于水凝胶表面并梯度调控多肽用量后开展抑菌测试（图5C、5D），负载乱序对照肽GGG-sGNU7的凝胶无抑菌效果，而GGG-GNU7修饰凝胶抑菌率随多肽浓度升高逐步提升；引入4% AOS可进一步强化抗菌性能，100 μM低多肽浓度下抑菌效率近乎翻倍。AOS可充当柔性间隔链，增加多肽暴露程度、促进其与细菌膜接触，以此放大抗菌效果，该褐藻胶/AOS复合体系对固定化多肽的增效作用鲜有报道，在高性能创面敷料领域具备应用价值。

 总结 

        本研究制备了共价交联褐藻胶/AOS复合水凝胶创面敷料，相较于传统钙离子交联凝胶，该共价交联体系无离子析出、溶胀度更低，压缩模量2-5 kPa、滞后损耗约40%，力学特性贴合人体皮肤；复合AOS仅小幅降低凝胶溶胀能力，保水性能基本稳定，将阳离子抗菌肽GGG-GNU7共价固定于凝胶表面后材料具备剂量依赖性抗菌活性，且AOS可通过拓宽多肽空间伸展、促进多肽与细菌膜相互作用显著提升抑菌效果，100 μM低多肽浓度下抑菌效率近乎翻倍，该体系可同步实现力学性能调控与抗菌功能增强，制备工艺简单通用，为结构稳定、皮肤适配性好、抗菌性能优异的新型创面敷料开发提供新思路。

        原文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s13765-026-01086-1

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作者：汪浩

审核：李全才、邵萌

编辑：郭青云

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