本文由Caixia Sun、Xinyu Zhou、Cong Liu、Shuyue Deng、Yuhan Song、Jun Yang、Jianjun Dai和Yanmin Ju等作者共同完成，发表于《Advanced Healthcare Materials》期刊，2023年7月27日在线发表。该研究由中国药科大学药学院、南京食品药品检验所、南京农业大学动物医学院等多个机构的研究人员合作完成。研究的主要目标是开发一种基于纳米酶（nanozyme）的集成治疗和预防性微针（microneedle）系统，用于治疗糖尿病患者的生物膜（biofilm）感染伤口。
糖尿病是全球范围内的一种主要慢性疾病，约1.34亿患者面临慢性不愈合伤口的风险。其中，约90%的糖尿病患者伤口中存在生物膜感染，这导致炎症期延长，最终导致伤口恶化。生物膜是由细菌形成的复杂结构，能够抵抗抗生素和免疫系统的攻击，因此传统的治疗方法效果有限。铁基纳米酶（如Fe2C纳米颗粒）已被证明可以通过催化过氧化氢（H2O2）在酸性环境中产生羟基自由基（·OH）来对抗细菌感染。然而，生物膜微环境的pH和H2O2限制使得这些纳米酶的效果大打折扣。为了克服这些限制，研究人员引入了葡萄糖氧化酶（Gox），以增强铁基纳米酶的过氧化物酶样活性。尽管如此，生物膜的致密结构仍然限制了复合纳米酶的渗透性。此外，伤口中的渗出物和坏死组织也阻碍了纳米酶到达深层组织，进一步降低了其抗菌效果。因此，开发一种能够提高纳米酶渗透性并保护伤口免受细菌再感染的策略显得尤为重要。
本研究设计了一种基于Fe2C纳米颗粒和葡萄糖氧化酶的微针系统（Fe2C/Gox@MNs），用于促进耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）生物膜感染的糖尿病伤口愈合。微针的尖端由可溶解的聚乙烯醇（PVA）制成，负载了Fe2C纳米颗粒和Gox，能够穿透生物膜并迅速释放药物，增强药物在组织和生物膜中的渗透性。微针的背衬层由壳聚糖（CS）制成，具有优异的透气性、吸湿性和抗菌性能，能够防止伤口愈合过程中的细菌再感染。
研究的主要流程包括以下几个步骤： 1. 微针的制备与表征：通过微模塑法制备Fe2C/Gox@MNs，使用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对微针的形貌进行表征。微针的尖端高度约为800微米，直径为300微米，背衬层具有多孔结构，有利于伤口愈合。 2. 微针的机械性能测试：通过压缩实验和小鼠尸体皮肤穿刺实验验证微针的机械强度。结果表明，微针的尖端能够穿透皮肤并迅速释放药物。 3. 壳聚糖背衬层的表征：通过吸湿性和抗菌性实验验证壳聚糖背衬层的性能。结果表明，壳聚糖背衬层具有优异的吸湿性和抗菌性，能够有效防止细菌再感染。 4. Fe2C/Gox@MNs的过氧化物酶样活性测试：通过TMB氧化实验和Michaelis-Menten常数测定验证Fe2C纳米颗粒的过氧化物酶样活性。结果表明，Gox能够通过催化葡萄糖分解产生H2O2和葡萄糖酸，从而增强Fe2C纳米颗粒的催化活性。 5. 生物安全性评估：通过溶血实验和细胞毒性实验评估Fe2C/Gox@MNs的生物安全性。结果表明，微针系统具有良好的生物相容性。 6. 体外抗菌膜实验：通过标准平板计数和结晶紫染色实验评估Fe2C/Gox@MNs的抗菌膜效果。结果表明，Fe2C/Gox@MNs能够有效清除MRSA生物膜。 7. 抗菌机制研究：通过检测羟基自由基（·OH）的产生、细胞膜和细胞壁的破坏、基因组DNA的降解等机制，揭示Fe2C/Gox@MNs的抗菌机制。 8. 体内抗菌膜实验：通过MRSA生物膜感染的糖尿病小鼠模型验证Fe2C/Gox@MNs的抗菌膜效果和促进伤口愈合的能力。结果表明，Fe2C/Gox@MNs能够显著促进伤口愈合，并防止细菌再感染。
本研究开发了一种基于Fe2C纳米颗粒和葡萄糖氧化酶的微针系统（Fe2C/Gox@MNs），用于治疗糖尿病患者的生物膜感染伤口。该系统通过微针尖端迅速释放药物，增强药物在组织和生物膜中的渗透性，同时通过壳聚糖背衬层防止细菌再感染。研究结果表明，Fe2C/Gox@MNs具有显著的抗菌膜效果和促进伤口愈合的能力，具有良好的临床应用前景。