《ACS Nano》大連醫曲小辰/姜暢嗎，南京醫張明：可注射溫敏水凝膠用于感染組織或骨的免疫調節與再生

細菌感染是臨床軟組織與骨修復的核心障礙。耐藥菌廣泛流行、局部過量活性氧堆積與免疫微環境紊亂形成惡性循環，單一功能的治療材料往往顧此失彼，難以打破感染-炎癥的持續狀態。本研究開發出一款第二近紅外窗口響應的溫敏復合水凝膠，同步實現光熱殺菌、氧化應激緩解與免疫微環境調控，在多種感染模型中驗證了軟組織與骨組織的協同修復效果。

研究成果以“NIR-II-Responsive Hydrogel with Integrated All-in-One Nanotherapeutics for Immunomodulation and Regeneration of Infected Tissues or Bone”（具有集成一體化納米治療藥物的近紅外二區響應水凝膠用于感染組織或骨的免疫調節與再生）為題發表在 ACS Nano，大連醫科大學附屬第一醫院曲小辰/姜暢、南京醫科大學附屬口腔醫院張明為其通訊作者。

曲小辰，醫學博士，副主任醫師。大連軟組織疼痛研究學會脊柱外科專業委員會委員。擅長脊柱退變、脊柱創傷、脊柱感染、脊柱腫瘤等脊柱外科常見疾病的診斷與治療。負責的“CT引導下脊柱病變經皮穿刺活檢術”為醫院臨床高新技術。博士研究生畢業于北京大學第三臨床醫學院，累計發表英文SCI期刊論文7篇、中文統計源核心期刊論文2篇。主持國家自然科學基金1項，參與國家自然科學基金4項，主持遼寧省自然科學基金1項。曾獲得北京市優秀畢業生、北京大學優秀畢業生、北京大學優秀博士學位論文、COA中青年優秀論文一等獎等榮譽和獎勵。

研究創新

研究通過極化工程制備出具備強第二近紅外吸收的碳量子點作為光熱劑，聯合超小聚多巴胺納米粒清除活性氧、調控巨噬細胞極化，將二者負載于銅離子配位的殼聚糖溫敏水凝膠中，形成殺菌、調控、再生的級聯治療體系。水凝膠具備可注射、原位成膠、組織粘附、可控降解的特性，在第二近紅外激光照射下高效殺滅病原菌、破壞細菌生物膜，同時清除局部過量活性氧，誘導巨噬細胞向抗炎 M2 型轉化，配合緩釋的銅離子促進血管生成與骨形成，在感染性皮膚缺損、皮下膿腫與頜面部骨缺損模型中均實現了高效修復。

研究摘要

細菌感染目前已成為臨床環境中軟組織和骨有效修復與再生的重大障礙。由于多重抗菌耐藥性、異常的炎癥反應以及過度的炎癥微環境，感染部位的管理面臨巨大挑戰。為滿足軟組織或骨損傷后復雜的愈合需求，設計并合成了一種免疫調節型熱敏水凝膠。該復合水凝膠（CQDs@UPDA@gel）結合了作為第二近紅外窗口（NIR-II）光熱劑（PTAs）的碳量子點（CQDs）與作為活性氧（ROS）清除劑和免疫調節劑的超小聚多巴胺納米粒子（UPDA NPs），并將其嵌入至與Cu2+配位的殼聚糖基質中，從而增強了水凝膠良好的溶脹性能和穩定的流變特性。這種協同策略同時抑制了細菌感染并改變了免疫抑制微環境，從而促進了軟組織或骨的協調再生。體內研究表明，在NIR-II激光照射下，該水凝膠能夠促進軟組織或骨的再生，用于治療感染性傷口、皮下膿腫以及頜面部感染性骨缺損。總體而言，本項目提供了一種通用策略，用于構建既能根除病原體又能調節免疫微環境的多功能水凝膠，以支持復雜的軟組織或骨感染的修復。

設計思路

臨床感染性組織修復需要同時應對病原菌清除、氧化應激緩解、免疫微環境改善與組織再生多重需求，單一功能材料無法打破感染引發的惡性循環。研究團隊從治療的時間邏輯出發，構思了殺菌、調控、再生依次推進的級聯治療路徑。光熱治療無需抗生素，可避免耐藥風險，研究選擇生物相容性優異的碳量子點，通過極化工程優化其第二近紅外波段的吸收能力，提升深層組織的光熱殺菌效率。針對感染局部過量 ROS 與促炎免疫狀態，研究選用超小聚多巴胺納米粒，相比常規聚多巴胺具備更強的抗氧化能力與腎代謝安全性，可通過清除 ROS、調控巨噬細胞極化改善修復微環境。載體選擇殼聚糖與銅離子配位形成的溫敏水凝膠，可在液態下注射，進入體內后隨體溫升高原位成膠，適配不規則缺損輪廓，同時通過緩釋銅離子發揮促血管生成與成骨作用，搭配三維多孔結構為組織再生提供支架支撐。整個研究從材料合成與理化表征入手，逐步驗證體外抗菌、抗氧化、免疫調控與成血管成骨功能，再通過三種體內感染模型驗證治療效果，形成從材料設計到功能驗證的完整閉環。

UPDA、CQDs@UPDA NPs、CQDs@UPDA@gel的合成路線和凝膠形成方法以及CQDs@UPDA@gel在軟組織/骨感染組織再生機制中應用的示意圖路線。

圖文內容

復合水凝膠成功構建，理化性能滿足應用需求

要驗證材料體系的成功合成與基礎理化特性，才能為后續功能實驗提供可靠前提。研究先通過超聲輔助液相剝離法制備超小聚多巴胺，再經水熱法合成碳量子點，二者通過納米沉淀法自組裝形成核殼結構的復合納米粒，最終與銅離子配位的殼聚糖基質混合，得到可注射的溫敏水凝膠。電鏡、光譜與粒徑表征證實各組分成功合成，復合納米粒粒徑均一，水溶液中可穩定存放兩周以上。水凝膠呈現疏松多孔的三維網絡結構，功能納米粒與銅元素均勻分散，具備良好的組織粘附性與彈性力學性能，銅離子可緩慢釋放，36 小時左右達到釋放平臺，為后續體內應用提供了穩定的理化基礎。

Figure 1、UPDA 的代表性透射電鏡圖像。B）UPDA 納米粒的傅里葉變換紅外光譜圖。C）UPDA 的 X 射線衍射圖譜。D）CQDs 的代表性透射電鏡圖像。E）CQDs 的傅里葉變換紅外光譜圖。F）CQDs 中 N 1s 的高分辨 X 射線光電子能譜掃描。G）CQDs 中 O 1s 的高分辨 X 射線光電子能譜掃描。H）CQDs@UPDA 的粒徑分布圖，插圖為其代表性透射電鏡圖像。I）UPDA、CQDs 納米粒與 CQDs@UPDA 納米粒的紫外-可見吸收光譜。J）空白凝膠與 CQDs@UPDA@gel 的代表性掃描電鏡圖像。K）CQDs@UPDA@gel 的代表性掃描電鏡圖像與元素映射圖。L）空白凝膠與 CQDs@UPDA@gel 的搭接剪切強度。M）儲能模量與損耗模量隨角頻率變化曲線。N）CQDs@UPDA@gel 在 PBS 中的銅離子釋放曲線。

NIR-II 下光熱轉化高效，穩定性與穿透性表現優異

光熱效應是體系抗菌的核心驅動力，需要驗證水凝膠狀態下的光熱效率、穩定性與組織穿透能力，才能評估其體內應用潛力。測試顯示水凝膠的升溫幅度與激光功率、材料濃度正相關，980 nm 激光照射下光熱轉化效率可達 54.5%，升溫效果主要來自碳量子點組分，超小聚多巴胺在該波段貢獻有限。經過 4 次升溫和冷卻循環后，水凝膠的光熱性能無明顯衰減，遠優于傳統有機光熱劑吲哚菁綠，后者會出現嚴重的光漂白。透過雞胸組織的測試證實，980 nm 激光可穿透組織有效加熱水凝膠，證明第二近紅外波段具備深層感染治療的能力。

Figure 2、A）不同功率 980 nm 激光照射下 CQDs@UPDA@gel 的升溫曲線。B）0.8 W/cm2 功率下 UPDA、CQDs 與 CQDs@UPDA@gel 的升溫曲線。C）4 次循環照射冷卻后 CQDs@UPDA@gel 的溫度變化。D）4 次循環照射冷卻后吲哚菁綠（ICG）的溫度變化。E）0.8 W/cm2 980 nm 激光照射下 CQDs@UPDA@gel 的光熱轉化效率。F）穿透不同厚度雞胸組織后 CQDs@UPDA@gel 的升溫曲線。G）不同濃度 CQDs@UPDA@gel 經 980 nm 激光照射后，對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的代表性菌落圖及 SYTO 9 染色活菌成像。H）細菌存活率與死亡率統計。I）不同濃度 CQDs@UPDA@gel 處理后大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的掃描電鏡圖像。J）不同處理后的細菌蛋白泄漏量。K）不同濃度 CQDs@UPDA@gel 處理后的結晶紫染色與活菌 / 死菌染色圖。L）生物膜清除率定量分析。

光熱激活后殺菌徹底，可有效清除細菌生物膜

驗證材料的抗菌能力是感染治療的基礎，需要明確殺菌效率與作用機制，以及對細菌生物膜的清除效果。實驗顯示，在 980 nm 激光照射下，當復合納米粒濃度達到 100 μg/mL 時，水凝膠對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的殺菌率可達 100%。無激光照射時抗菌效果微弱，證實殺菌作用主要來自光熱效應。光熱處理會破壞細菌細胞膜完整性，造成胞內蛋白大量泄漏，且蛋白泄漏量呈濃度依賴性。針對成熟細菌生物膜，該處理可清除約 85% 的生物膜，高濃度下幾乎完全殺滅膜內活菌，同時上調抑制生物膜形成的關鍵基因表達，從分子層面阻礙生物膜生成。

ROS 清除能力明確，材料生物相容性與降解性良好

感染微環境中過量活性氧會阻礙組織修復，驗證材料的抗氧化能力與生物安全性是后續體內實驗的前提。測試顯示復合水凝膠可有效清除 ABTS 自由基、過氧化氫、超氧陰離子與羥基自由基，15 分鐘內可累積釋放 10.8 mg/mL 氧氣，具備類超氧化物歧化酶與過氧化氫酶的活性。溶血實驗顯示材料溶血率遠低于 5% 的安全閾值，對成纖維細胞無明顯細胞毒性。納米粒與水凝膠均可在體內逐步降解，28 天左右皮下植入的水凝膠基本被代謝，主要臟器無病理損傷，血清肝腎功能指標無異常，銅離子與碳量子點主要經腎臟排泄，無長期器官蓄積，證實材料具備良好的體內生物安全性。

Figure 3、A）CQDs@UPDA@gel 清除自由基的機制示意圖。B）不同材料在不同時間點對總自由基的清除效果。C）不同材料與過氧化氫共孵育后的產氧量。D）不同材料對過氧化氫、超氧陰離子與羥基自由基的清除能力。E）CQDs@UPDA@gel 體內生物降解過程圖像。F）正常皮膚組織與水凝膠降解后皮膚組織的 H&E 染色及免疫組化分析。G）流式細胞術檢測不同處理后巨噬細胞 CD86 與 CD206 的表達水平。H）不同處理后 RAW264.7 細胞基因的火山圖分析。I）不同處理后 RAW264.7 細胞基因的韋恩圖。J）差異表達基因的聚類分析展示基因表達模式。K）不同處理后差異基因的 KEGG 通路分析。L）差異基因的 GO 富集分析（點圖）。

調控巨噬細胞極化，從轉錄層面改善炎癥免疫通路

感染部位的免疫微環境直接決定修復結局，需要明確材料對巨噬細胞極化的調控作用與分子機制。細胞實驗顯示，脂多糖誘導的巨噬細胞會向促炎 M1 型極化，加入水凝膠后可顯著降低 M1 型比例，提升抗炎 M2 型比例，其中超小聚多巴胺是發揮免疫調控的核心組分。轉錄組分析發現，材料處理可逆轉脂多糖誘導的基因表達異常，核心調控 12 個關鍵基因，抑制白介素 6、CD86 等促炎基因表達，上調轉化生長因子 β、過氧化物酶體增殖物激活受體 γ 等免疫調節與代謝相關基因。富集分析顯示差異基因主要參與破骨細胞分化、VEGF 信號通路、Toll 樣受體信號通路等關鍵通路，證實材料可在轉錄層面調控炎癥反應與免疫細胞功能。

促進細胞遷移與血管生成，逆轉炎癥介導的成骨抑制

組織修復離不開細胞遷移、血管新生與骨組織形成，需要驗證材料對相關細胞功能的影響。劃痕實驗顯示水凝膠可顯著促進成纖維細胞與內皮細胞的遷移，體外成管實驗證實其具備促血管生成能力，這一效應與緩釋的銅離子激活相關信號通路有關。針對炎癥環境下的成骨抑制，水凝膠可逆轉脂多糖或細菌上清對骨髓間充質干細胞成骨分化的抑制作用，提升堿性磷酸酶活性與鈣結節形成水平，上調 Runx2、骨橋蛋白等成骨關鍵基因表達。整體來看，材料可通過改善免疫微環境與直接生化刺激，協同發揮促血管生成與成骨分化的作用。

Figure 4、不同處理組 L929 細胞的劃痕遷移代表性圖像。B）不同處理組小鼠主動脈內皮細胞的劃痕遷移代表性圖像。C）不同處理組小鼠主動脈內皮細胞 48 小時的成管代表性圖像。D）不同實驗組骨髓間充質干細胞來源成骨細胞的堿性磷酸酶與茜素紅 S 酶活多尺度。E）不同實驗組骨髓間充質干細胞來源成骨細胞的堿性磷酸酶與茜素紅 S 酶活多尺度成像。F）與 M1 細胞上清共培養的堿性磷酸酶酶活半定量分析。G）與細菌上清共培養的堿性磷酸酶酶活半定量分析。H）CQDs@UPDA@gel 促進成骨細胞分化、抑制破骨細胞形成的機制示意圖。

感染皮膚創面愈合加速，多機制協同促進修復

研究選取臨床常見的感染性全層皮膚缺損模型，在動物層面驗證整體治療效果。實驗構建了小鼠頜面部金黃色葡萄球菌感染創面，水凝膠在激光照射下可快速升溫至 48℃，有效殺滅創面細菌。治療 6 天后，聯合治療組創面愈合速度顯著快于對照組，創面細菌完全清除。組織學檢測顯示，治療組創面活性氧水平顯著降低，巨噬細胞向 M2 型極化，促炎因子表達下調，抗炎因子與血管內皮標志物表達升高，膠原沉積更致密有序，新生血管結構成熟，證實水凝膠通過殺菌、抗氧化、免疫調控與促血管生成的協同作用，加速感染創面的愈合。

Figure 5、A）治療監測的實驗設計時間線。B）980 nm 激光照射（0.8 W/cm2，10 分鐘）后不同處理小鼠的代表性熱成像圖與光熱溫度曲線。C）不同處理后第 1、3、5、6 天創面收縮的代表性照片與示意圖。D）全層皮膚缺損模型中不同處理小鼠的創面面積變化。E）組織切片的活性氧熒光染色圖像。F）熒光強度定量分析。G）組織切片的 CD86/CD206 熒光染色圖像。H）H&E、Masson、TNF-α、IL-6、TGF-β、IL-10 與 CD31 的代表性染色圖像。I）CQDs@UPDA@gel 促進金黃色葡萄球菌感染創面愈合過程的示意圖。

深層皮下膿腫有效清除，炎癥緩解與組織修復同步

淺表創面的療效得到驗證后，研究進一步評估材料對深層感染的治療能力，皮下膿腫是臨床常見的深部軟組織感染類型。實驗構建了小鼠頜面部金黃色葡萄球菌皮下膿腫模型，水凝膠可注射進入膿腫部位，980 nm 激光照射下膿腫區域溫度可達 47℃，實現深層光熱殺菌。治療 4 天后，聯合治療組膿腫基本消退，膿液完全消失，皮下細菌存活率降低 90% 以上。組織學檢測顯示膿腫部位炎癥細胞浸潤顯著減少，膠原沉積增加，促炎因子表達下調、抗炎因子表達上調，證實水凝膠可有效治療深部皮下感染，控制感染的同時改善局部微環境，促進膿腫部位的組織修復。

Figure 6、A）治療監測的實驗設計時間線。B）不同處理后小鼠的代表性熱成像圖與光熱溫度曲線（0.8 W/cm2，10 分鐘）。C）不同處理后第 1、2、3、4 天皮下膿腫的代表性照片與示意圖。D）第 4 天皮下滲出物的細菌菌落圖。E）全層皮膚缺損模型中不同處理組小鼠皮下膿腫的細菌存活率。F）皮下膿腫模型中不同處理組小鼠的體重變化。G）不同處理后 H&E、Masson、TNF-α、TGF-β 與 IL-10 的代表性染色圖像。H）CQDs@UPDA@gel 促進金黃色葡萄球菌感染皮下膿腫愈合過程的示意圖。

感染性骨缺損高效修復，成骨與成血管協同作用

體系在感染性骨缺損中的修復效果是本研究的核心臨床目標之一，研究通過大鼠顱骨金黃色葡萄球菌感染性臨界骨缺損模型完成了體內驗證。水凝膠填充缺損后，激光照射下局部溫度可達 48.3℃。8 周后，聯合治療組骨缺損區域新生骨組織覆蓋率達 60%，骨體積分數與骨密度顯著高于對照組。革蘭氏染色證實缺損部位無殘留細菌感染，組織學與免疫組化顯示治療組成骨標志物、血管內皮標志物表達顯著升高，促炎因子降低、抗炎因子升高，轉錄組分析證實治療激活了 VEGF、TGF-β 等成骨與血管生成相關通路。結果表明水凝膠可在清除骨感染的同時，通過免疫調控與生化誘導促進血管新生與骨組織再生，實現感染狀態下的骨缺損修復。

Figure 7、A）治療監測的實驗設計時間線。B）術后 4 周與 8 周各組代表性的冠狀面/矢狀面顯微 CT 重建圖。C）不同處理后革蘭氏染色、H&E、Masson、TNF-α、IFN-γ、IL-10 與 TGF-β 的代表性免疫組化染色圖像。D）術后 8 周缺損區域 I 型膠原染色（綠色）、堿性磷酸酶染色（紅色）與 DAPI 核染色（藍色）的免疫熒光共定位圖像。E）不同處理后 CD31 的代表性免疫組化染色圖像。F）不同處理后 PECAM1、KDR、FGF2 與 ANGPT2 的基因表達水平。G）不同處理后骨鈣素的代表性免疫組化染色圖像。H）CQDs@UPDA@gel 促進金黃色葡萄球菌感染骨缺損再生過程的示意圖。

文獻信息

NIR-II-Responsive Hydrogel with Integrated All-in-One Nanotherapeutics for Immunomodulation and Regeneration of Infected Tissues or Bone

Peilong Jiang, Zhurun Fang, Jinyu Li, Jing Wu, Xiaolong Zhu, Chang Jiang, Ming Zhang, Xiaochen Qu

ACS Nano June5,2026

https://doi.org/10.1021/acsnano.6c08281