从患者龋斑到MRSA创面：pH门控水凝胶杀病原菌保常驻菌

原创

来源：占英

2026-08-21 14:32:10

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核心提示：本研究构建NIPAAm-DVB-VIm（NDV）pH门控水凝胶，借VIm质子化构象切换在生理温度实现中性阻漏、酸性控释AgF，精准抗菌并重塑菌群。

感染部位（龋洞、牙周袋、MRSA创面）微环境常酸化至pH 4.5–5.5，而生理组织近中性（pH 7.2-7.4）。传统水凝胶载药系统在生理条件下基线渗漏、反复加载下力学崩溃，既削弱疗效又造成脱靶银毒；温度响应NIPAAm体系虽经典，但感染灶温度仍近体温、外加热不便，且多数NIPAAm水凝胶在口腔/皮肤动态界面缺乏机械韧性。更关键的是，感染伴随菌群失调——单纯灭绝式杀菌会一并清除健康常驻菌，不利于生态恢复。理想策略应利用内源性pH信号，在生理温度自主"开/关"释药，平时塌陷低渗阻漏、酸化时质子化膨胀开道，且载体本身耐循环压缩。本研究将1-乙烯基咪唑（VIm，pH敏感）与1,4-二乙烯氧基丁烷（DVB，力学交联）引入NIPAAm网络得NDV水凝胶，载模型抗菌药AgF：中性时VPTT低于体温→疏水塌陷阻隔；酸性时VIm质子化使VPTT升至40℃以上→同龄体温下亲水膨胀开孔，无需外场即完成pH自主门控。进而在患者来源口腔龋生物膜与MRSA全层皮肤创面双模型验证其"杀菌+保菌群+促愈合"的微生物组意识型感染管理潜力。

研究内容

Fig. 1

图1. pH门控NDV平台设计与构象切换原理

NIPAAm+VIm+DVB经UV固化成NDV；无DVB的pNIVIm作对照。云点/DSC证中性时VPTT<37℃（疏水塌陷），pH 4时VIm质子化使VPTT>40℃（同龄体温下亲水膨胀）。该"VPTT随pH跨体温"机制把传统温敏NIPAAm重导向为生理温度下的pH自主开关：中性作致密势垒抑AgF漏，酸性靠质子化驱动水合开孔。图1示意restricted exchange↔free exchange双态，确立分子门控逻辑。

Fig. 2

图2. 网络架构、力学与粘附性能

¹H NMR/FTIR证三单体共聚比（NIPAAm:VIm:DVB≈114.88:11.49:1 mmol级），无乙烯峰；FESEM示NDV3（优化交联）具稳定互穿网络、孔壁均匀。压缩强度32.6→73.3 kPa（>80%应变不碎），30圈70%循环压缩模量稳定（超弹耗能）。对纤维蛋白胶等多表面粘附强、可塑形。DVB增厚孔壁均布载荷，使材料适口腔咀嚼/皮肤形变等重复力学界面。

Fig. 3

图3.pH驱动溶胀-降解-AgF开关释放

37℃下pH 7↔4交替，30 min内完成塌缩/膨胀反转；30天缓冲液不崩解。XPS示酸性下N 1s由399.08→398.58 eV（质子化削氮-银静电），Ag 3d峰强降，证束缚减弱。ICP-OES释药：pH 7 24 h释<20%，pH 4释~70%（pH 5.5与pH 4无统计学差，覆盖感染酸域）；撤外场、换缓冲即停，FITC-BSA同理。形成可重复循环的"on-off"释放曲线。

Fig. 4

图4.成纤维细胞相容与抗菌效价解耦

HGF（人龈成纤维细胞）CCK-8/Live-Dead：pH 7洗脱液即便40%浓度仍近Blank存活；pH 4洗脱液高浓度（40%）细胞毒≈自由AgF对照，低浓度仍可控。平板扩散：对S. mutans、S. aureus的抑制圈pH 4洗脱液显著大于pH 7，且3→12 h渐进衰减；CFU定量pH 4组对数杀灭远超Blank。证明同一载体在中性保细胞、酸性放抗菌，把"安全窗"与"杀菌窗"按微环境pH解耦。

Fig. 5

图5.患者来源龋生物膜的菌群重平衡

取3名患儿龋洞菌群16S测序。NDV3+（载AgF）在pH 4处理下：致龋/致病分类（S. mutans、S. aureus、S. pneumoniae、S. sinensis）被选择性消减至未检出或极低；常驻有益菌（L. paracasei、B. subtilis、S. salivarius）保留甚至相对富集（S. salivarius在样本C pH4占66.36%）。Shannon指数提示适度下降但UPGMA聚类显示pH4组远离Blank/pH7，朝向"病原退场、共生留存"结构偏移。

本研究将VIm与DVB引入NIPAAm得NDV水凝胶，利用VIm质子化在生理温度驱动VPTT跨体温位移，实现中性塌缩阻漏、酸性膨胀开孔的pH自主门控；载AgF后中性pH 24 h释药<20%且HGF高存活，pH 4释~70%并对S. mutans/S. aureus对数级杀灭。患者龋生物膜中酸性洗脱液选择性消减致龋病原、保留L. paracasei/S. salivarius等常驻菌；MRSA全层创面模型里NDV3+使菌荷降2.18 log、7天闭合57.4%、CD31/α-SMA上调、脏器无银蓄积。该平台以"pH自主控制+重复加载力学耐久+微生物组意识"三联特征，为口腔与皮肤酸化感染提供了非外场、保菌群、促再生的精准抗菌递送范式。