水凝胶的一类非常亲水的三维结构凝胶网络，它能在水中快速膨胀，且在这种膨胀下保持大量的水不被溶解。水凝胶的形成原理，是水溶性聚合物或者亲水性聚合物通过发生物理或化学作用而形成。
水凝胶根据不用的形状和作用，可以分为好几类，根据网络键合的特性，可以将水凝胶分为物理水凝胶和化学水凝胶。
水凝胶对于创伤面有很好的作用，在创伤面贴水凝胶，能防止伤口感染和促进伤口愈合，有助于伤口早日恢复。
水凝胶在抗旱方面作用巨大，它能快速吸收数倍水量，然后再将吸收的水慢慢再释放出来，起到很好的抗旱效果。
《Advanced science》综述：抗菌水凝胶的全面总结！
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抗菌材料因能有效抑制细菌感染而被公认为重要的生物材料。目前，具有抗菌功能的水凝胶是生物医学研究的主要焦点。众多具有先进功能特性的的抗菌水凝胶已被开发出来，如高溶胀胀性，高氧渗透性，生物相容性，易于负载和释放药物，以及结构多样性等。抗菌水凝胶的构建策略有哪些？相应的作用机理及应用环境有哪些？来自吉林大学第一医院的李叔强和中国科学院长春应用化学的丁建勋综述了各种抗菌水凝胶的结构、性能、作用机理、载释行为及应用，展望了其在生物医学研究和临床应用方面的发展前景。相关论文“Antibacterial Hydrogels”于发表于杂志《Advanced science》上。
根据水凝胶基质和抗菌剂的分类，抗菌水凝胶分为三类：(I)含无机纳米颗粒的水凝胶，(II)含抗生素的水凝胶，(III)具有固有抗菌性能的水凝胶。本文将介绍抗菌水凝胶的合成、性能、作用机理、载药和释放行为及其应用，如图示1所示。图1显示了抗菌药物的发展历史以及获得耐药性的微生物。
图示1 抗菌水凝胶的组成、性能和应用
图1 抗菌药物的历史和获得耐药性的微生物
1. 含无机纳米颗粒的水凝胶
无机抗菌材料主要包括金属离子和金属氧化物纳米颗粒。通常使用的金属/金属离子包括但不限于银(Ag)、金(Au)和铜(Cu)。所利用的金属氧化物金属纳米颗粒包括氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)和氧化镍。目前，应用最广泛的无机抗菌材料是银纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒。图2说明了金属和金属氧化物纳米颗粒可能的抗菌机制。纳米颗粒会对细菌细胞膜造成破坏或对细胞器造成有害的改变。然而，应该强调的是，其中一些机制是投机性的，需要进一步讨论和论证。
图2 金属及金属氧化物纳米粒子的抗菌机理
（1）载银纳米水凝胶：为了提高金属纳米粒子在水介质中的稳定性和分散性，控制纳米结构，采用自由基交联聚合法同时制备了由Pluronic和PAAM组成的半互穿网络水凝胶，并将其作为纳米反应器合成纳米银纳米粒子(图3)。
图3 用于抗菌伤口敷料的生物相容性Ag NP-衍生三肽超分子水凝胶
（2）载金纳米水凝胶：虽然金被普遍认为是生物惰性的，但金纳米颗粒(Au NPs)具有多种生物学功能。Au纳米粒子在细胞成像、光热治疗、传感和抗菌活性等生物应用中发挥着重要的作用。Gao等人证明，含有Au NP稳定脂质体的水凝胶对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌性能，对小鼠没有皮肤毒性(图4)。
图4 含有纳米颗粒稳定的脂质体的水凝胶用于局部抗菌药物的传递
（3）其他金属纳米粒子负载水凝胶：除了这些常用的金属纳米颗粒外，抗菌的钴交换天然沸石(ZEO)/PVA水凝胶被证明对大肠杆菌具有抗菌活性。0.48 wt%的ZEO/PVA水凝胶和较高的钴交换ZEO含量显示出对G -细菌(即大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)有效的抗菌活性。通过静电挤压制备的Cu-SA水凝胶对大肠杆菌和MRSA具有杀菌效果(图5)。
图5 Cu-SA的研究及潜在的生物医学应用
（4）金属氧化物纳米颗粒负载水凝胶：除了金属纳米颗粒负载的水凝胶外，金属氧化物纳米颗粒负载的水凝胶也具有良好的抗菌性能。金属氧化物纳米颗粒的抑菌机理与金属纳米颗粒不同。光催化作用是金属氧化物纳米粒子抑菌的主要机理。在各种金属氧化物中，氧化锌是最常用的抗菌剂。
2. 含抗生素水凝胶
抗生素虽然是继抗菌金属制剂之后发现的，但无疑是最常用、最有效的抗菌剂。然而，细菌所具有的耐药效应一直是阻碍抗生素开发和应用的最大障碍。要克服这一点，最大限度地减少常规抗生素的用量比探索新的抗生素更有希望和实用。
（1）环丙沙星水凝胶：环丙沙星是一种氟喹诺酮类抗菌药物，对G 和G−细菌均有广泛的抗菌谱。CIP的毒性与剂量有关，过量会对组织造成损害。利用水凝胶作为局部给药系统可以充分解决这一问题。
（2）庆大霉素水凝胶：庆大霉素(Gen)是一种传统的广谱抗生素，用于治疗皮肤、软组织和伤口感染，但其全身毒性(如肾脏)和较低的血药浓度仍然是一个问题，阻碍了其应用。Sa等人开发了一类含有纳米羟基磷灰石(NHA)/抗生素基因的温敏性CS-GP水凝胶。将温敏性水凝胶引入到聚******丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥中，从而提高了水泥的矿化能力和抗菌活性(图6)。
图6 仿生nHA/Gen富集型CS-GP水凝胶对注射用PMMA性能的影响
（3）万古霉素水凝胶：临床上，万古霉素(VAN)是一种被认为是对抗感染的最后一种形式的抗生素。然而，耐VAN的肠球菌是最近发现的。如上所述，利用水凝胶作为药物输送系统保护并增强了VAN的有效性。Gustafson等人开发了一种带电水凝胶作为载体。电荷水凝胶中的VAN超过500 ug mg−1水凝胶，能够控制VAN的输送，并用于对抗手术部位对MRSA的感染(图7)。
图 7 VAN通过带电水凝胶的受控输送
3. 具有固有抗菌活性的水凝胶
具有固有抗菌活性的水凝胶是指含有抗菌成分的水凝胶。这些具有固有抗菌活性的水凝胶是近年来发展起来的有效的抗菌剂，与传统的水凝胶相比副作用很小，甚至没有副作用。这些水凝胶的主要形式如下所述。
（1）含抗菌聚合物的水凝胶：抗菌聚合物包括非受刺激抗菌聚合物和潜在抗菌聚合物。最常见的非刺激抗菌聚合物在其结构中具有某些对抗菌很重要的成分。由热响应性PNIPAM和氧化还原响应性聚二茂铁硅烷大分子组成的水凝胶在保持高生物相容性的，同时表现出很强的抗菌活性。氧化还原诱导形成的水凝胶-银复合材料对大肠杆菌具有良好的抑菌活性。基于HEMA和IA共聚物的pH敏感和热敏水凝胶具有潜在的生物医学应用，特别是用于皮肤治疗和伤口敷料。
（2）抗菌肽水凝胶：抗菌肽(AMPs)是由植物和动物物种中多种类型的组织和细胞产生的一组丰富而多样的分子它们被认为是治疗耐抗生素细菌感染的灵丹妙药。人们普遍认为AMP的抗菌机制是它们与膜结合导致细菌的破坏(图8)。尽管含有AMPs的水凝胶表现出一些缺点，如组织毒性和溶血，但与具有类似结构的合成药物相比，它们仍然具有更强的抗菌能力和生物相容性(图9)。Wang等人制备了酶交联ε-聚l-赖氨酸水凝胶，该凝胶对G 和G−细菌都表现出有效的抗菌活性。
图8 抗菌肽:细菌中的孔隙形成者或代谢抑制剂
图9 合成杀菌剂与人载脂蛋白E衍生抗菌肽的表面抗菌性能比较
（3）两性离子水凝胶：两性离子水凝胶与AMP的作用类似。静电相互作用促进聚合物和阴离子细菌膜之间的结合，导致膜结构的物理破坏和细胞死亡。
4. 协同作用的水凝胶
具有协同作用的水凝胶是指含有两种或两种以上抗菌剂的水凝胶，可以增强抗菌效果。金属纳米颗粒和抗生素通常被报道合并到水凝胶中以获得协同作用。此外，如前所述，Ag NPs与还原氧化石墨烯的联合利用也是增强抑菌效果的常见机制。
（1）含金属纳米颗粒的协同有效水凝胶：协同有效水凝胶中的金属纳米颗粒主要为Ag NPs。Ag NPs可以加载到合成的两亲体、氨基酸，甚至生物提取物水凝胶中。Ag NP复合体系因其与生物分子、细胞和组织良好的生物相容性而更适合于生物医学应用。
（2）含抗生素的协同有效水凝胶：含有抗生素的水凝胶与其他抗菌材料结合使用时，表现出更强的抗菌性能和生物相容性。一种具有控释特性的ZnO/ GEN-CS复合凝胶被报道在伤口治疗中具有广阔的应用前景。与GEN对照组相比，ZnO、GEN和CS的复合凝胶显著提高了对G 和G−细菌的最低抑制浓度(MICs)(图10)。
图10 一种控释ZnO/ GEN-CS复合材料及其在伤口治疗中的潜在应用
综上，水凝胶基抗菌生物材料可作为传统抗生素治疗的替代方案和可行的解决方案。控制和延长释放、局部给药、刺激开关释放、增强机械强度和改善生物相容性都是广泛的水凝胶所能提供的重要优势，这正是抗菌生物材料目前所需要的。抗菌水凝胶可广泛应用于伤口敷料、尿路涂层、导管相关感染、胃肠道感染、骨髓炎、隐形眼镜等临床应用领域。虽然Ag NPs等无机抗菌剂具有良好的抗菌性能，但其生物相容性和剂量依赖性不理想限制了其应用。此外，由于传统抗生素和其他抗菌药物的滥用，许多耐药细菌已经进化出来。抗菌肽的特殊抑菌机制为解决细菌耐药问题提供了一种途径。因此，将抗菌肽与水凝胶结合制备抗菌肽水凝胶将是克服这些局限性的关键。抗菌生物材料独特组合，以及目前正在开发的方法将为抗感染治疗提供一个充满希望的未来。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/advs.201700527
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