背景:20世纪后期,随着耐药菌株的不断出现,传统的抗生素已经越来越不能满足临床抗感染治疗的需求。微生物尤其是金黄色葡萄球菌引起的伤口及软组织感染是目前最常见的感染类型之一,严重威胁着人类的健康。因此,探索具有优异抗菌性能和良好生物安全性的抗菌敷料是目前伤口治疗的迫切需求。在众多伤口敷料中,水凝胶由于其自身的三维网状结构可高效地吸附水分子以保持伤口的湿润环境,并吸收组织渗出物,使氧气渗透,抑制微生物的滋生,更好地促进伤口愈合。这些性质使得水凝胶在抗菌领域中的应用受到了人们越来越多的重视。目前为止,抗菌凝胶主要包括两大类型:(1)使用本身具有抗菌性能的高分子材料作为基质构建凝胶;(2)将抗生素通过包埋的方式负载到水凝胶的网状结构中,通过抗生素的释放发挥疗效。然而,实际中的感染往往要复杂很多,比如耐药菌的感染及交叉感染等。此时单一的抗感染治疗往往很难满足临床上的需求,因而开发多功能并对耐药菌同样有效的新型抗菌凝胶敷料显得尤为重要。本论文构建了一种天然抗生素(芦荟大黄素,AE)和碳纳米球共负载的高分子水凝胶,并对其物理化学性质及抗菌性能进行了详细研究。结果表明碳纳米球在近红外光的照射下,可以将光能转化为热能,高效地杀死细菌;此外,近红外光的照射可诱导碳球产生大量的活性氧,短时间内协同光热进一步杀死细菌。同时,凝胶中AE的缓慢释放,可在激光照射结束后,发挥持续的杀菌作用。这两种瞬时和长效的抗菌方式共同作用,可有效地抑制有害微生物的滋生,对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌包括耐药菌均具有良好的杀伤能力。动物伤口感染模型实验结果也表明,该混合凝胶也可促进伤口的愈合。目的:目前,细菌耐药性的日益增加使得开发高效杀菌、环境友好并避免耐药性产生的新型抗菌制剂迫在眉睫。本论文通过聚合反应构建了一种负载碳球和芦荟大黄素的混合水凝胶。该凝胶在近红外光的诱导下,可在短时间内通过光热转换产生热量杀死细菌,在伴随热量产生的同时还可以产生高浓度的自由基使得细胞膜完整性受损,细菌死亡。负载凝胶内部的芦荟大黄素能够从水凝胶中缓慢释放出来,在激光器关闭后,发挥持续抗菌的作用。这两种抗菌方式的结合,可显著提高凝胶系统的抑菌效果,有效治疗细菌感染,促进伤口愈合。方法:第一章光响应碳球作为抗菌剂的抗菌活性及机理研究本章首先合成了氮-掺杂的空心碳球(N-CCs),然后在其表面修饰聚乙二醇,构建PEG-N-CCs。采用多种检测手段分析该碳球的物理化学性质,主要包括组成、尺寸分布、结构及光热转换性能等。随后研究了 PEG-N-CCs的抗菌活性,并对其抗菌机理进行研究,主要包括细菌内升温情况的测定、活性氧水平的检测、细菌形态的观察及细菌内核酸裂解的情况,最后对PEG-N-CCs清除及抑制细菌生物膜的能力进行探究。第二章光响应芦荟大黄素/碳球水凝胶抗菌性能的研究在论文第一章实验的基础上,本章选择聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)作为水凝胶的基质,将聚乙二醇修饰的空心碳球(PEG-N-CCs)和芦荟大黄素(AE)共同掺入水凝胶中,形成AE/PEG-N-CCs混合凝胶。采用多种检测方法对水凝胶的物理化学特性进行表征,主要包括稳定性、结构特点、流变学性能、芦荟大黄素的释放、生物相容性及光热转换性能等。随后探讨了 AE/PEG-N-CCs混合凝胶长期和短期抗菌活性,并对其机理进行研究。最后,构建小鼠伤口感染模型,探讨其伤口愈合的效果。结果:第一章:本章所制得的碳纳米球形貌均一,粒径约为170 nm,壁厚约为8 nm。聚乙二醇的修饰提高了碳球的水溶性、稳定性和分散性。抑菌实验结果显示,在近红外光的照射下,PEG-N-CCs对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌包括耐药菌都具有很好的抗菌效果。其抑制机理主要是通过碳球在激光的照射下,将光能转化为热能,同时,产生高水平的自由基破坏细菌膜,导致细胞内基质渗漏,细菌快速死亡。此外,PEG-N-CCs在近红外光的照射下还能破坏已形成的细菌生物膜和阻止新的生物膜的形成,可作为有效的抗菌剂。第二章:本章制备的AE/PEG-N-CCs水凝胶,具有良好的抗剪切能力和自愈合性能,适合于伤口的涂布。一方面,凝胶内部的PEG-N-CCs仍可通过将光能转化为热能在短期内快速杀菌,另一方面,凝胶内部的芦荟大黄素通过缓慢的释放发挥长期抑菌的效果,弥补短期抑菌过程中,一旦光源关闭其抑菌过程也就停止的缺点。与单一疗法相比,两种抗菌方式共同作用,使得凝胶表现出更为优异的抗菌效果。同时,动物伤口愈合实验表明,AE/PEG-N-CCs水凝胶能有效治疗伤口感染并促进伤口愈合。