摘要

在氧化应激微环境（ROS-rich microenvironment）下响应的智能水凝胶因其良好的可注射性、生物相容性及刺激响应特性，在肿瘤治疗、创伤修复及药物控释等领域展现出广泛应用前景。本文系统阐述了一种以季铵盐壳聚糖（QCS）与天然多酚单宁酸（TA）为基础构建的ROS响应性复合水凝胶的设计策略、形成机制、性能表征及其在生物医用材料中的应用前景。

一、材料设计理念与反应机制

1.1 材料构成与功能性设计

• QCS（Quaternized Chitosan）：季铵化壳聚糖具备良好的溶解性和抗菌性，并携带正电荷，可通过静电相互作用与TA形成物理交联；

• TA（Tannic Acid）：天然多酚类物质，具备丰富的邻苯二酚（catechol）与羟基结构，可发生氧化自聚反应形成ROS敏感性动态共价键；

• H₂O₂作为模拟ROS刺激源：在体外/体内高ROS环境中，TA中的邻苯二酚结构被氧化为醌（quinone），导致动态共价键断裂，从而引发凝胶-溶胶转变，实现在药物或细胞释放中的ROS响应性降解。

1.2 水凝胶构建机制图示

以下为QCS与TA自组装形成ROS响应性水凝胶的反应机理示意图：

markdown复制编辑图1：QCS-TA水凝胶构建与ROS诱导降解机制
┌────────────┐        静电 + 氢键 + 配位作用         ┌─────────────┐
│ QCS (–NR₄⁺) │ ───────────────────────────▶ │ QCS/TA网络结构 │
└────────────┘                                └─────────────┘      ▲                                                   ▼
      │                    ROS (H₂O₂)诱导                 │
      │──────────────────────────────────────────────────▶
      │            TA邻苯二酚 → 醌结构 → 胶体断裂        │
      ▼                                                   ▼
┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│       凝胶–溶胶转变，实现药物/生物活性物质释放          │
└────────────────────────────────────────────────────────┘

二、QCS-TA水凝胶的制备与表征

2.1 制备方法

QCS和TA按一定摩尔比在中性pH下混合，搅拌均匀后即可形成凝胶。调节TA浓度或QCS：TA比例可实现凝胶时间（Gelation time）和力学强度的精准调控。

• QCS溶液：1% w/v于去离子水中溶解；

• TA溶液：1–5% w/v于PBS缓冲液中溶解；

• 混合比：体积比1:1，在室温或37 °C下数分钟内快速形成透明或微褐色凝胶。

2.2 理化表征方法

三、QCS-TA水凝胶的功能性能

3.1 生物相容性

• 细胞活力检测（CCK-8）：与L929或hADSCs共培养，72 h内细胞活力无显著下降；

• Live/Dead染色：大部分细胞存活，胶体对细胞黏附与增殖具有良好支持作用。

3.2 抗菌性能

QCS因其阳离子季铵结构对**革兰氏阳性（S. aureus）与阴性菌（E. coli）**均具有良好抑菌活性。与TA的协同效应可显著提高抗菌谱范围。

3.3 ROS响应性降解与药物释放

采用模型药物DOX或BSA进行包载，ROS条件下出现缓慢释放–加速释放的“二阶段释放曲线”：

• 正常条件（无ROS）：48 h释放 <20%；

• 加入1 mM H₂O₂：24 h释放率达 80–90%；

• 可用于实现炎症/肿瘤微环境靶向释放药物/生长因子。

四、在生物医用材料领域的应用前景

4.1 创伤修复（慢性伤口/糖尿病足）

• 背景：伤口局部ROS水平升高，抑制组织再生；

• 应用策略：QCS-TA凝胶可形成原位可注射敷料，同时抗菌与清除ROS，促进愈合；

• 动物模型结果：14天内QCS-TA组伤口闭合率>90%，明显优于空白组与纯QCS组。

4.2 肿瘤微环境响应型递药系统

• 策略：通过QCS-TA凝胶负载化疗药物或免疫调节剂，在肿瘤富ROS微环境中实现药物的特异性释放；

• 优势：降低全身毒性，增强肿瘤局部效应；

• 前景：可与光热/化疗/免疫治疗协同，构建多功能诊疗平台。

4.3 3D细胞培养与组织工程支架

• QCS-TA水凝胶具有良好成胶性和细胞黏附性，适合作为3D支架材料；

• 可负载干细胞、生长因子等，促进组织再生如软骨、骨组织修复。

五、结论与展望

QCS-TA复合水凝胶基于天然多糖与植物多酚的协同组装，不仅具备出色的生物相容性、抗菌性、ROS响应性，还能实现药物智能释放，是一种极具前景的可注射智能水凝胶平台材料。

未来研究可围绕以下方向深入：

• 功能化改性：如引入温度/pH响应因子，实现多重响应；

• 临床级材料开发：提升规模合成的可控性与稳定性；

• 联合治疗平台：与免疫治疗、肿瘤疫苗等整合，开发新型生物响应型疗法。

附图

图1：QCS-TA水凝胶构建与ROS响应降解机制示意图

plaintext复制编辑[ QCS ] + [ TA ]  → 凝胶网络形成  →  H₂O₂存在下 →  醌化裂解 → 药物释放

QCS正电荷  ↔  TA多酚羟基
          ↓ 静电作用、氢键、疏水作用
        多功能三维凝胶网络
                   ↓
        H₂O₂诱导TA氧化为醌结构
                   ↓
        动态键断裂，网络崩解
                   ↓
        药物/细胞/生物因子智能释放

图2：QCS-TA水凝胶的扫描电镜结构图（SEM）

（此处应插入一张显示多孔微结构的SEM图像）

图3：加H₂O₂前后水凝胶的释放曲线对比图

（横轴为时间，纵轴为累积释放量）