针对上述问题，四川大学华西医院钱志勇团队创新性地设计了一种近红外光（NIR）驱动的智能复合水凝胶Co-BOS@C/F Gel。通过将富含氧空位的钴掺杂硫化氧化铋（Co-BOS）作为光催化客体分子，引入壳聚糖衍生物（CS-ADH）/Pluronic F127-醛基化（F127-CHO）热敏水凝胶主体中，形成“主-客”结构复合体系。该水凝胶在NIR照射下同时实现光热升温、产生活性氧、并触发温度敏感的自收缩行为，实现对不规则伤口的自适应覆盖和主动闭合。该文章于2026年1月2日以《Near-infrared light-driven photocatalytic reactive oxygen species-generating antibacterial and self-shrinking hybrid hydrogels for combating drug-resistant bacterial biofilm infection and accelerating wound healing》为题发表于《Bioactive Materials》（DOI: 10.1016/j.bioactmat.2025.12.049）。

图1.Co-BOS光催化剂的制备过程（a）及Co-BOS@C/F Gel的构建（b）；Co-BOS@C/F Gel治疗MRSA生物膜感染伤口的过程示意图（c）。

（1）Co-BOS光催化剂的合成与表征

Co-BOS纳米片（NSs）通过一步液相离子交换法合成。透射电镜（TEM）显示Co-BOS保持与BOS相似的二维超薄片状形貌，长度约120 nm，宽度约80 nm，原子力显微镜（AFM）测得厚度约10 nm。高分辨透射电镜（HR-TEM）显示Co-BOS晶面间距0.192 nm与0.266 nm，分别对应正交晶系BOS的（002）与（111）晶面。高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）及元素mapping显示Bi与Co均匀分布，证实Co原子成功引入BOS晶格。X射线衍射（XRD）显示Co-BOS所有衍射峰与正交晶系BOS（JCPDS no. 34-1493）匹配，无新峰出现，表明Co掺杂未改变BOS原有晶体结构。X射线光电子能谱（XPS）检测到Co特征峰，进一步证实Co成功掺杂。电子自旋共振（ESR）显示Co-BOS在g=2.004处信号强于BOS，表明Co掺杂增加了氧空位（OVs）浓度。高分辨XPS显示Co-BOS中Bi 4f结合能向高位移，O 1s谱中OVs特征峰比例显著增加，进一步证实Co掺杂促进OVs形成。

图2. Co-BOS光催化剂的合成与结构表征。（a）BOS晶体结构；（b）Co-BOS的TEM图像；（c）HR-TEM图像与（d）SAED图谱；（e）Co-BOS的HAADF-STEM图像及（f）Bi、（g）Co的元素mapping；（h）Co-BOS的HR-TEM图像；（i）Co-BOS的XRD图谱；（j）Co-BOS的XPS全谱；（l）BOS与Co-BOS的ESR图谱；Co-BOS的高分辨XPS谱图：（k）Co 2p、（m）Bi 4f、（n）O 1s。

（2）光学性质、能带结构与光催化机制

Co掺杂使BOS光吸收波长向远红外区域扩展，带隙由0.88 eV降至0.80 eV；M-S曲线显示两者均为n型半导体，Co-BOS的平带电位（-0.35 V vs. Ag/AgCl）较BOS（-0.18 V）负移，对应导带电位为-0.35 V，价带电位为0.45 V（vs. NHE）。DFT计算表明Co掺杂引起局部晶格畸变，Co-O键（2.146 Å）与Co-S键（2.497 Å）较Bi-O（2.390 Å）与Bi-S（3.048 Å）缩短，电荷密度分布证实Co原子附近电子富集及掺杂能级引入；投影DOS显示带隙由0.87 eV窄化至0.81 eV，导带底与费米能级间出现新能级。TRPL测试显示Co-BOS平均荧光寿命（573.81 ns）长于BOS（567.28 ns）；瞬态光电流响应与EIS测试分别表明Co-BOS光电流密度提升、电荷转移阻抗降低；LSV曲线呈现非线性整流特征，共同证实Co掺杂显著增强光生电子转移与载流子分离效率。

图3. Co-BOS纳米片的能带结构、光催化机制及光电化学性质。（a）UV-Vis-NIR漫反射光谱；（b）Tauc图、（c）M-S曲线与（d）能带结构示意图；DFT计算：（e、f）几何结构、（g、h）电荷密度分布与（i、j）电子局域函数图；BOS（k）与Co-BOS（l）的能带结构与投影态密度（DOS）；（o）TRPL、（m）光电化学响应与（n）EIS图谱；BOS与Co-BOS在暗态（D）与光照（L）下的（p）LSV曲线。

（3）光热性能与近红外光驱动ROS产生能力

光热成像与升温曲线显示，BOS悬液温度仅升高3.4°C，而Co-BOS在808 nm、1 W·cm⁻²近红外光照射10 min后温度由28.7°C升至41.6°C，光热转换效率达34.09%。Co-BOS光热性能具有浓度与激光功率依赖性，经10次开-关循环后温升曲线重叠，表明其具有优异的光热稳定性。ROS检测显示Co-BOS荧光强度为BOS的3.8倍，总ROS产量显著提升。NBT、DPBF与MB检测分别证实Co-BOS产生•O₂⁻、¹O₂与•OH⁻的能力分别为BOS的2倍、1.6倍与1.5倍。ESR捕获实验进一步证实Co-BOS在NIR光照下可产生•O₂⁻、¹O₂与•OH⁻，且信号强度随光照时间延长而增强。

图4. Co-BOS光催化剂的光热行为与NIR光驱动ROS产生。（a）不同光催化剂（100 μg·mL⁻¹）NIR光（808 nm, 1 W·cm⁻²）照射后的光热图像与（b）温度变化曲线；Co-BOS悬液不同（c）浓度与（d）激光功率下的温度变化曲线；（e）Co-BOS悬液光热循环曲线；（f）Co-BOS溶液（100 μg·mL⁻¹）NIR光（808 nm, 1 W·cm⁻²）照射10 min后关闭光源的光热曲线；（g）冷却期冷却时间与-ln(θ)的线性关系；（h）BOS与Co-BOS光催化剂ROS产生示意图；NBT检测•O₂⁻（i）、DPBF检测¹O₂（j）、MB检测•OH⁻（k）的吸收光谱；Co-BOS光催化剂NIR光（808 nm, 1 W·cm⁻²）照射下的时间依赖ESR信号：（l）BMPO-•O₂⁻、（m）TEMP-¹O₂、（n）BMPO-•OH⁻。

（4）Co-BOS@C/F Gel的构建与多功能特性

F127-CHO经Dess-Martin氧化合成，端羟基转化率为67%；CS-ADH经EDC/NHS偶联制备，ADH取代度为49.8%。FTIR显示F127-CHO在1720 cm⁻¹出现醛基特征峰，CS-ADH在1644 cm⁻¹出现胺II带增强。席夫碱反应构建的C/F凝胶在F127-CHO 24%、CS-ADH 16%浓度下形成，SEM显示其具有高度互联多孔结构。Co-BOS@C/F凝胶表现温敏性与NIR光驱动自收缩特性：低于25°C为溶胶态，高于25°C发生溶胶-凝胶转变；NIR照射5 min温度达34.5°C，20 min收缩率为60.6%±1.48%，SEM显示光照后孔结构致密化、孔径减小。流变测试显示37°C时储能模量（G'）与损耗模量（G''）高于25°C，临界应变点为300%，超过后G'骤降，交替应变扫描显示模量可快速恢复，剪切变稀行为证实可注射性。该凝胶5 min内实现宏观自愈合，可牢固粘附于塑料、玻璃、金属及皮肤，搭接剪切强度为4.11±0.11 kPa（高于C/F凝胶的2.84±0.37 kPa），电导率为1.679 S/m（高于C/F凝胶的1.298 S/m）。大鼠肝脏止血实验显示失血量为120 mg，显著低于对照组（1000 mg）及纤维蛋白胶（396 mg）。

图5. Co-BOS@C/F Gel的多功能特性。（a）C/F与Co-BOS@C/F Gel NIR光驱动自收缩的光学图像与热成像图；（b）Co-BOS@C/F Gel无/有NIR光（808 nm, 1 W·cm⁻²）照射20 min的典型SEM图像；Co-BOS@C/F Gel在25°C与37°C下的（c）储能模量（G'）与损耗模量（G''）评估；（d）振荡应变1%-300%范围内的G'与G''值；（e）1%与300%阶跃应变三个循环的G'变化；（f）剪切速率0.1-100 s⁻¹范围内的粘度；（g）Co-BOS@C/F Gel自愈合性能照片；（h）Co-BOS@C/F Gel粘附性能照片；（i）Co-BOS@C/F Gel可注射能力照片；（j）Co-BOS@C/F Gel导电性照片；（k）对照组、纤维蛋白胶与Co-BOS@C/F Gel组大鼠肝脏创伤1 min内失血代表性照片与（l）统计图。

（5）体外抗菌与抗生物膜性能

无NIR光照时各组均无抗菌活性；NIR光照下，BOS@C/F凝胶对大肠杆菌与MRSA仅有轻微杀菌效果，Co-BOS@C/F凝胶则表现出最佳抗菌活性，相对抗菌率分别为97.23%±2.04%与98.78%±3.43%，SEM显示该组细菌皱缩或裂解，而无光照组保持完整形态。DCFH-DA染色显示Co-BOS@C/F凝胶组胞内ROS水平最高，Disc3(5)探针显示其膜电位去极化与膜损伤最显著，BCA检测证实MRSA蛋白泄漏，γ-H2AX染色显示DNA损伤最严重，表明局部高温与ROS风暴可破坏细菌磷脂双层膜、增加膜通透性并导致胞内基质泄漏与DNA损伤。成熟MRSA生物膜经NIR光照10 min后，CLSM三维图像显示对照组、C/F凝胶组及无光照组几乎完全被活细菌覆盖且结构致密，Co-BOS@C/F凝胶组则出现大量死细菌，生物膜生物量降至11.7%±1.57%，厚度由19.46±0.55 μm降至3.2±0.36 μm；CV染色与UV-Vis分析显示其生物膜清除率达89.21%±0.68%，显著高于BOS@C/F凝胶组（17.37%±0.94%）。

图6. Co-BOS@C/F Gel的抗菌与抗生物膜活性。（a）平板涂布法（SPM）获得的MRSA菌落照片；（b）不同处理下MRSA的SEM图像；不同组MRSA经（c）DCFH-DA探针与（d）Disc3(5)染色的代表性荧光照片；（e）处理MRSA生物膜的CLSM图像（死细菌染红色，活细菌染绿色）；（f）不同处理CV染色的MRSA生物膜照片；（g）生物膜生物量定量分析（结晶紫在OD₅₉₅ nm处的吸光度）。

（6）转录组学分析揭示抗菌机制

16S rRNA测序证实分离菌为MRSA。小RNA三级结构分析显示Co-BOS@C/F凝胶+NIR处理后MRSA sRNA构象改变，可能影响胞内蛋白表达；PCA与相关性热图显示组间差异显著、组内变异度低，数据可靠性良好。共鉴定2758个变量，处理组较对照组上调180个基因、下调93个基因。GO分析显示差异基因富集于转移酶活性、代谢调控、乙醇酸代谢及磷酸转移酶活性等能量代谢功能；KEGG分析表明β-内酰胺耐药、群体感应、氧化磷酸化、磷酸转移酶系统（PTS）、ABC转运蛋白及坏死性凋亡通路显著受影响。ABC转运蛋白基因热图显示镍、铁、磷酸盐及亚精胺转运体上调，nikA与opuA下调，提示膜转运功能紊乱；PTS的malX与mtlA下调表明生物膜中蔗糖、海藻糖及果糖摄取受阻。qPCR验证了氧化磷酸化（NDH、qoxB）、PTS（mtlA、malX）、坏死性凋亡（glnA）及ABC转运蛋白（opuBA、pstC）相关基因表达变化。抗菌机制涉及：Co-BOS尖锐片状边缘物理穿透损伤细胞壁与膜结构；ROS积累破坏抗氧化防御并扰乱代谢；高光热转换效率协同增强NIR光照下抗菌性能，光催化与光热效应共同提升抗菌效率并抑制生物膜形成。

图7.抗菌机制分析：Co-BOS@C/F Gel+NIR光照处理后MRSA的RNA测序分析。（a）琼脂糖凝胶电泳16S rRNA PCR产物鉴定细菌；（b）Co-BOS@C/F Gel+NIR光照处理后MRSA sRNA三级结构；（c）不同组差异表达基因（DEGs）表达量密度图；（d）PCA分析、（e）热图与（f）火山图显示Co-BOS@C/F Gel处理组与对照组总DEGs；（g）Co-BOS@C/F Gel处理组DEGs的GO与（h）KEGG分析；（i）磷酸转移酶系统相关基因聚类热图；（j）Co-BOS@C/F Gel在NIR光（808 nm, 1 W·cm⁻²）照射下的抗菌机制示意图。

（7）体外细胞相容性与血液相容性

CCK-8实验显示，不同浓度Co-BOS@C/F Gel与L929细胞（小鼠成纤维细胞系）及HUVECs（人脐静脉内皮细胞系）共孵育24 h与48 h后，对细胞增殖无明显抑制作用。活/死细胞染色显示，不同水凝胶与HUVECs共孵育1 d后细胞增殖未受抑制；延长至3 d后，各水凝胶处理组HUVECs较对照组呈现更明显增殖趋势，表明水凝胶降解产物（如硫酸软骨素分子）可有效促进细胞增殖。划痕实验显示，与C/F Gel、BOS@C/F Gel及Co-BOS@C/F Gel共孵育24 h后，各水凝胶处理组HUVECs迁移率均高于对照组，进一步证实C/F Gel中硫酸软骨素持续刺激内皮细胞迁移。

图8. Co-BOS@C/F Gel的细胞毒性与细胞学评价。（a）L929细胞与（b）HUVECs不同浓度水凝胶处理24 h与48 h后的细胞活力；Calcein-AM/PI assay活/死细胞荧光图像，HUVECs与不同水凝胶培养基提取物共孵育（c）1天与（d）3天；（e）C/F Gel、BOS@C/F Gel与Co-BOS@C/F Gel处理HUVECs的划痕实验。

（8）MRSA生物膜感染伤口的体内治疗效果

MRSA生物膜感染小鼠伤口模型分为无NIR光照组（对照、C/F凝胶、BOS@C/F凝胶、Co-BOS@C/F凝胶）与NIR光照组。NIR光照后，对照组、C/F凝胶组与BOS@C/F凝胶组伤口温度分别为36.1°C、35.5°C与38.8°C，Co-BOS@C/F凝胶组10 min达50.7°C；该组10 min后伤口面积损失率为43.44%±1.69%，显著高于BOS@C/F凝胶组（21.90%±0.50%）与C/F凝胶组（8.10%±0.90%），且优于文献报道的AAD（3天<40%）与PNI-HA（2 h<26.6%）。无NIR光照时各组愈合无显著差异；NIR光照下，BOS@C/F凝胶与Co-BOS@C/F凝胶组在第5、7、9天显示加速愈合，Co-BOS@C/F凝胶组第9天闭合率达96.46%±1.78%，显著高于对照组（+）（76.70%±1.07%）与对照组（-）（72.40%±3.94%），各组体重无显著差异。体内抗菌实验显示Co-BOS@C/F凝胶组抗菌率为91.6%±5.90%，Giemsa染色显示该组细菌含量显著降低，BOS@C/F凝胶组细菌完全清除。组织学显示第3天各组均有急性炎症与中性粒细胞浸润，Co-BOS@C/F凝胶组真皮间隙显著缩小；第9天该组炎症最轻、真皮间隙最小，TNF-α免疫荧光几乎无表达。Masson三色染色显示各水凝胶组胶原含量显著高于对照组，Co-BOS@C/F凝胶组胶原沉积最高；CD31免疫组化显示该组第3天血管生成显著增强，Ki67与COL-I免疫荧光显示第9天细胞增殖与表皮重塑活性最高。

图9.Co-BOS@C/F Gel加速MRSA生物膜感染小鼠伤口愈合与再生。（a）实验时间线示意图；（b）NIR光照处理不同组的热成像照片；（c）NIR光照10 min前后MRSA生物膜感染伤口的照片、（d）定量伤口面积与（e）伤口面积损失率；（f）不同处理下MRSA生物膜感染伤口的照片与（g）相对伤口面积；（h）术后第3天伤口周边软组织残留MRSA的照片与（i）定量分析（n=5）。

图10.不同处理组MRSA生物膜感染伤口的组织学分析。（a）第3天感染组织Giemsa染色（黑箭头指向细菌）；（b）第9天皮下组织H&E染色与（c）Masson染色。

图11.治疗后第9天不同水凝胶组背部伤口组织的组织免疫荧光染色。（a）第9天感染组织CD31染色（黑箭头指向细菌）；（b）Ki67（红色）与（c）COL-I（绿色）免疫荧光染色图像。

（9）生物安全性评估

皮下注射Co-BOS@C/F Gel后，第3天与第14天检测心、肝、脾、肺、肾中Co²⁺与Bi³⁺含量。ICP-MS显示第14天Co-BOS@C/F Gel组各器官含量较对照组普遍降低，含量显著下降，表明治疗过程中Co-BOS@C/F Gel未在不同器官组织中积累，显示良好生物安全性。血液生化分析显示对照小鼠与不同水凝胶处理小鼠血液生化参数无显著差异。主要器官H&E染色显示治疗后第3天各水凝胶敷料处理小鼠主要器官未显示炎症反应，证实Co-BOS@C/F Gel不会导致长期组织损伤或毒性副作用，具有良好的生物安全性与应用潜力。