文献解读 ‖ Advanced Materials: 直接合成光敏细菌纤维素作为用于皮肤伤口修复的工程活性材料
皮肤是人体最大的器官，一直是生物体与外界环境之间阻止病原体入侵的强大屏障。皮肤损伤感染是对全球人类健康的一大威胁—全球每年有近 600 万患者遭受严重的皮肤损伤感染，死亡率约为 5%。对于皮肤损伤，伤口敷料在皮肤愈合过程中起着至关重要的作用，特别是对于外伤、慢性和热伤口。
传统的伤口敷料如纱布是无毒的，具有生物相容性，具有大的孔隙率以满足足够的空气交换。目前用于伤口感染治疗的临床方法是基于抗生素的伤口敷料，这种方法成本高、效率低，并且可能导致抗生素耐药性。
细菌纤维素（BC）是用醋酸菌等微生物生物发酵合成的，具有高安全性、高渗透性、高持水性、优异的柔韧性适应性、低成本、优异的生物相容性和生物降解性等优点。
凭借这些优势，BC 已广泛应用于人造皮肤和血管、组织工程支架、骨再生、牙科植入物和伤口护理产品。在这些应用中，BC 特别适用于伤口敷料，因为它具有三维连贯的纳米纤维网络结构，具有超高的孔隙率和保水能力。
BC在其自然状态下不显示任何内在的抗菌能力，但可以用抗菌剂对其进行功能化，以实现伤口愈合过程中的感染预防功能。
不同的抗菌剂，如银或金纳米粒子、抗生素和壳聚糖，已通过物理涂层或化学修饰附着在 BC 上。物理包衣法只需要适度的改性条件，但有时会出现抗菌部分脱落的问题。
BC 是由 β-1,4 糖苷键形成的 β-D-葡萄糖单元组成的天然生物聚合物链。由于其强氢键和极化性，BC在常规有机溶剂或水中的溶解度较差，这往往导致化学改性的反应效率低。
微生物发酵生物合成 BC 是一种新的替代技术，可能克服物理涂层和化学修饰的局限性。理想情况下，抗菌剂可以在发酵过程中牢固地结合到 BC 中。
然而，通过微生物生物合成在 BC 上掺入抗菌剂具有挑战性，因为传统的抗菌剂可以杀死发酵微生物。光敏剂（PSs）作为一类很有前途的抗菌候选物，在黑暗条件下没有毒性，但在光照下可选择性地产生活性氧（ROS）诱导病原体致死性损伤。
特别令人感兴趣的是具有聚集诱导发射特性的PSs（AIE PSs），它们具有明亮的荧光和强光敏化的独特特征在聚集状态下具有明亮的荧光和强烈的光敏性。
此外，AIE PS 已成功开发用于病原体检测、鉴别和治疗。因此，AIE PSs 可能是抗菌 BC 制造的有希望的抗菌候选者。
天津大学--新加坡国立大学福州联合学院刘斌教授首次开发了一种基于微生物代谢的具有直接抗菌效果的BC生物制备方法。
β-D-葡萄糖用基于聚集诱导发射（AIE）的光敏剂改性称为(TPEPy-COOH)，并用作碳底物，通过原位生物合成方法由 K. sucrofermentans 制备多功能 BC (TPEPy-Glc-BC)。TPEPy-Glc-BC 的荧光强度和光动力效率可以通过改变 TPEPy 修饰葡萄糖 (TPEPy-Glc) 的进料浓度来控制。
他们的研究结果证实，生物合成的 TPEPy-Glc-BC 对真核细胞无毒，并且通过在光照射下有效产生活性氧（ROS）具有高抗菌功效。此外，作为伤口敷料，它对皮肤损伤修复显示出有效的抗菌能力。
图文解析
作为一种可溶性多糖，葡萄糖是与 K. sucrofermentans 生物合成 BC 的重要碳源。葡萄糖的修饰是功能性 BC 生物合成的重要步骤，其进一步用作将功能性元素引入 BC 的载体。
因此，我们预测使用光敏剂修饰的葡萄糖作为微生物发酵的底物可以通过生物代谢产生具有定制特征的功能性 BC。首先，通过氨基葡萄糖的游离氨基与 TPEPy-COOH 的活化羧基之间的酰胺化反应，设计并合成了 PS 修饰的葡萄糖 TPEPy-Glc（图 1A）。TPEPy-Glc 的合成路线如图 1A 所示。
获得的 TPEPy-Glc 显示出宽吸收，在 300 和 400 nm 处有两个峰，红色发射以 645 nm 为中心。TPEPy-Glc 在连续白光照射下表现出优异的光稳定性，这对 PS 至关重要。
TPEPy-Glc 显示出典型的 AIE 特性，在四氢呋喃 (THF) 中发射较弱，在 THF/醚混合物的聚集态中发射强红色，醚体积分数为 90%。使用 9,10-蒽二基双(亚甲基)二丙二酸 (ABDA) 作为 ROS 指示剂进一步检查了 TPEPy-Glc 的 ROS 生产能力。
在 30 mW cm-2 功率的白光照射（400-700 nm）下，用 TPEPy-Glc 处理后 ABDA 的吸光度显着降低。
图 1. 功能性细菌纤维素的设计、结构和特性。A) TPEPy-Glc-BC 的制备应用具有代谢途径的原位生物合成方法，并将 TPEPy-Glc 用作 K. sucrofermentans 生物合成的碳底物。B) 第 1 天、第 3 天和第 5 天在稳定条件 (28 °C) 下 TPEPy-Glc-BC 和 BC 生物合成过程的图像。C) 在白光下观察 BC 和 TPEPy-Glc-BC 的图像) 或紫外光 (365 nm)。D) 使用相同参数 (Ex = 405 nm, Em = 650-680 nm) 的共聚焦激光扫描显微镜 (CLSM) 测试了 BC 和 TPEPy-Glc-BC 的荧光强度。E) 通过扫描电子显微镜观察 BC 和 TPEPy-Glc-BC 的微观结构。F) BC (黑色) 和 TPEPy-Glc-BC (红色) 的 FT-IR 光谱显示结构修饰。G) X 射线衍射 (XRD) 光谱。
图2. TPEPy-Glc-BC 的杀菌活性。A) TPEPy-Glc-BC 通过释放 ROS 的杀菌功能示意图。B) DCFH在水溶液中氧化形成的 2',7'-二氢二氯荧光素(DCF) 的荧光光谱。在 TPEPy-Glc-BC 和 BC 存在下，在光照（400-700 nm，60 mW cm-2）4 分钟或黑暗下研究 ROS 物种。C) 与对照：BC（黑色）和 DCF-H2（绿色）相比，用 TPEPy-Glc-BC（红色）处理的水溶液中 DCFH 的相对荧光强度与辐照时间的关系图。D) 在光照强度为60 mW cm-2 下照射10 分钟。SYTO-9将活菌株标记为绿色，PI将死菌株标记为红色。E,F) 基于 TPEPy-Glc 在功率密度为60 mW cm-2 10 分钟或在黑暗中。数据显示为平均值±标准偏差；使用双向方差分析 (ANOVA) 计算 p 值，**p < 0.01，*p < 0.05。G) TPEPy-Glc-BC (100 × 10−6 m) 上的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在照射或黑暗下的伪着色的 SEM 图像。绿色显示细菌纤维素薄膜上的细菌。蓝色箭头表示受损区域。比例尺代表 1 µm。
图3. 生物相容性测定。A) BC 和 TPEPy-Glc-BC 上的 NIH-3T3、RAW 264.7 和 HEK 293 细胞的 SEM 图像。比例尺代表 10 µm。B) FDA/PI 染色的 NIH-3T3 细胞、HEK 293 细胞和 RAW 264.7 细胞在光照射下用 BC 和 TPEPy-Glc-BC 处理的荧光图像，其中死细胞和活细胞分别被 PI 染成红色和绿色FDA的荧光图。比例尺代表 100 µm。C) NIH 3T3、HEK 293 和 RAW 264.7 细胞在照射或黑暗下在 BC 和 TPEPy-Glc-BC 薄膜上培养，然后再培养 24、48 和 72 小时的细胞存活力。通过MTT法分析细胞活力。将培养板上未经任何处理的细胞作为对照。
图4. 体内伤口愈合应用。A) 第0天、第3天、第6天、第9天和第12天在不同敷料和光照射下治疗的伤口愈合照片。所有比例尺均为 0.5 厘米。B) 伤口面积，C) 伤口愈合率，和 D) 在受伤和细菌感染后第 3 天、第 6 天、第 9 天和第 12 天治疗后的伤口组织细菌负荷。数据显示为平均值±标准偏差；使用双向 ANOVA 计算 p 值，**p < 0.01，*p < 0.05。E) 分别在植入后 12 天照射后，用 TPEPy-Glc-BC、BC 和未处理的皮下植入伤口敷料的代表性 H&E 染色组织切片。顶部和底部面板中的比例尺分别代表 1 mm 和 50 µm。
通过微生物代谢生物合成系统展示了一种基于 BC 的直接抗菌伤口敷料制备方法。葡萄糖用基于 AIE 的 PS改性 (TPEPy-COOH)，并用作碳源，通过与 K. sucrofermentans 原位发酵产生 PS 改性的 BC (TPEPy-Glc-BC)。
TPEPy-Glc-BC 具有较高的 ROS 生成效率，这赋予了所获得的纤维素以光触发的抗菌性能。作为一种伤口敷料材料，TPEPy-Glc-BC具有生物相容性，并显示出有效的抗菌能力，可加速伤口的体内修复，表明在临床使用中具有巨大的伤口愈合应用潜力。
此外，直接生物合成方法展示了微生物培养与化学工具相结合来设计、生长和制造功能性生命材料的可行性。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202109010
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