长期暴露于紫外线辐射会导致晒伤、皮肤光老化甚至皮肤癌，已成为全球性的公共卫生挑战。传统防晒产品通常依赖有机紫外线过滤剂与无机颗粒的复配体系来实现光防护，但这些成分存在经皮渗透风险，可能引发内分泌干扰等全身性效应。此外，现有有机和无机滤光剂在紫外线照射下均可能产生活性氧，导致细胞损伤和致癌风险。同时，多组分防晒体系的复杂配方在实现均匀分布和基质兼容性方面也面临诸多困难。尽管近年来的研究尝试通过生物黏附聚合物包封活性成分或掺杂稳定组分来解决上述问题，但如何在简化配方的同时兼顾生物安全性、黏附性、抗氧化及抗菌等多功能性，仍是该领域亟待突破的瓶颈。
受植物天然光防护机制的启发，四川大学李乙文教授团队开发出一系列基于天然多酚的全小分子防晒水凝胶。该水凝胶通过一步法组装天然多酚（黄芩苷）与氨基糖苷类抗生素（妥布霉素），构建出无需载体、无化学交联剂的多功能光防护体系。该材料不仅具有优异的高防晒系数、强生物黏附性、抗氧化与抗菌活性，还兼具高可见光透过率和极低的皮肤渗透倾向，在小鼠和巴马小型猪模型中均表现出良好的环境稳定性和光防护效果。相关论文以“All-small-molecule Hydrogels for Safe and Efficient Photoprotection”为题，发表在Nature Communications上。
研究人员首先以黄芩苷和妥布霉素为模型分子，通过加热-冷却的一步组装策略成功制备了水凝胶。该体系可在较宽的浓度范围内形成稳定凝胶（图1b），并能借助模具塑造成心形、菱形和星形等多种宏观形状。流变学表征显示，随着温度升高至相变温度（35°C）以上，储能模量逐渐趋于稳定；在37°C下储能模量大于损耗模量，确认了溶胶-凝胶转变行为（图1c、1d、1e）。同时，该材料具有优异的剪切变稀特性，总黏度随剪切速率增加而逐渐降低，可通过注射器注入（图1f）；在交替应变（1%和50%）测试中，水凝胶在高应变下表现为类液体行为（损耗模量大于储能模量，网络破坏），在低应变下迅速恢复为类固体凝胶行为（储能模量大于损耗模量，网络重构），证实了其触变性和自愈合性能（图1g）。X射线光电子能谱显示水凝胶的氮含量高于黄芩苷、碳含量低于黄芩苷，证实两者共同参与了凝胶形成（图1h）；高分辨C 1s谱未出现化学反应产生的新峰，表明交联体系主要依赖非共价相互作用（图1i）。紫外-可见吸收光谱显示，水凝胶稀释后的光谱与单体相比无显著差异，多酚单元的特征π-π和n-π跃迁保持不变，说明凝胶化未涉及紫外吸收发色团的化学修饰，而是依赖物理组装（图1j）。
为验证该体系的普适性，研究团队系统筛选了多种天然多酚与氨基糖苷类抗生素的组合。结果表明，除少数疏水性过强的黄酮类化合物外，绝大多数多酚均可与妥布霉素形成稳定水凝胶（定义为Gel-i，i=1-6）（图1k）；同时，黄芩苷也可与多种氨基糖苷类抗生素（如巴龙霉素、阿普拉霉素、链霉素、卡那霉素、庆大霉素和新霉素）以模块化方式组装成功能水凝胶（定义为Gel-i，i=7-12）（图1l）。通过尿素（氢键竞争剂）、氯化钠（离子相互作用竞争剂）、OP-10乳化剂（疏水相互作用竞争剂）和盐酸（席夫碱破坏剂）的降解实验，大多数水凝胶在尿素中表现出高度降解，在氯化钠和OP-10溶液中轻微降解，在盐酸中保持稳定，表明氢键是主导作用力，同时离子相互作用和疏水作用也参与了网络构建；Gel-3（熊果苷）因在水中的溶解度过高而在所有溶液中均大量降解（图1m）。
图1. 水凝胶的制备与表征。（a）仿生示意图，展示植物紫外防护策略的演化及基于天然多酚的全小分子防护水凝胶系统的设计理念。（b）BA-TOB水凝胶的相图。（c）水凝胶在不同温度下的动态储能模量和损耗模量。（d）水凝胶在25°C和（e）37°C下的时间依赖性储能模量和损耗模量。（f）水凝胶的剪切变稀行为。（g）通过连续阶梯应变测试的触变性能。（h）水凝胶、TOB和BA的XPS全谱。（i）水凝胶、TOB和BA的高分辨C 1s谱。（j）BA、TOB和稀释后水凝胶的紫外-可见吸收光谱。（k）多种天然多酚和（l）氨基糖苷类抗生素的化学结构。（m）不同多酚水凝胶在各种溶液中的降解统计数据。
为深入揭示组装机制，研究团队开展了等温滴定量热实验，结果显示黄芩苷与妥布霉素的结合为焓驱动的自发过程（ΔG = -100.2 kJ mol⁻¹），且|ΔH| > |-TΔS|，表明该反应为焓驱动的自发结合过程，氢键是主要结合力（图2a、2b）。差示扫描量热法测定水凝胶的冻结温度为-13.2°C，显著低于纯水，表明材料具有良好的抗冻性能（图2c）。核磁共振氢谱显示，苯环上邻位羟基的质子峰随浓度升高发生低场位移，与扩散早期水分子优先形成氢键以构建网络的现象一致（图2d）；变温核磁实验进一步表明，从25°C开始部分氢键即发生位移，说明室温下部分氢键具有动态特性，这为材料的自愈合性能提供了分子层面的解释（图2e）。分子动力学模拟从原子水平直观展示了黄芩苷与妥布霉素分子在100纳秒模拟过程中逐步聚集形成稳定组装结构（图2f），氢键数量快速增加并趋于稳定（图2g），范德华力和静电相互作用能均随模拟进行而降低并稳定在负值，证实了组分间有利的吸引相互作用（图2h）。温度依赖性傅里叶变换红外光谱显示，随温度从75°C降至25°C，O-H/N-H伸缩振动峰发生明显位移（图2i、2j）；二维相关光谱分析显示，在异步图中1600 cm⁻¹处的峰首先变化，表明自由N-H基团优先移动并与O-H基团形成氢键（图2k）。X射线衍射结果显示，黄芩苷和妥布霉素单体呈现明确的晶体衍射峰，而水凝胶中这些特征峰消失，转变为宽泛的无定形晕峰，进一步确认了通过弱非共价相互作用组装形成的非晶网络结构。
图2. 全小分子水凝胶的自组装机制。（a）BA滴定TOB的ITC热流曲线，BA滴定水作为对照。（b）归一化结合焓随BA/TOB比值变化的拟合曲线。（c）水凝胶在-30至50°C范围内的DSC热谱图，升温速率5°C/min。（d）不同浓度和（e）不同温度下水凝胶的1H NMR谱分析氢键作用。（f）模拟初始和最终状态下水凝胶系统的结构变化。（g）分子动力学模拟过程中氢键演化。（h）模拟过程中库仑力和范德华相互作用能演化。（i）水凝胶从75°C冷却至25°C（间隔10°C）的温度依赖性FT-IR光谱。（j）放大FT-IR光谱，突出O-H/N-H伸缩和弯曲区域。（k）由（j）生成的二维COS同步和异步光谱，红色和蓝色分别表示正强度和负强度。
在黏附性能方面，该水凝胶对聚丙烯、聚氯乙烯、木材、橡胶、钛、油漆和玻璃等多种基材均表现出强黏附力（图3a）。尤为重要的是，在37°C生理温度下及冷水冲洗后，水凝胶仍能与猪皮形成共形黏附，并可牢固附着于弯曲瓶体表面，展现出对刚性和柔性界面的广泛适应性（图3b、3c）。
在抗氧化活性评估中，水凝胶在ABTS和DPPH自由基清除实验中均表现出优异的自由基清除能力，且呈浓度依赖性（图3d、3e、3f）。电子顺磁共振谱检测到约3482 G处的强信号峰，归属于半醌型自由基，与多酚结构的氧化还原活性本质一致（图3g）。抗菌实验表明，水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的存活率分别仅为0.70%和1.04%，即使浓度仅为100 μg/mL时仍具有强效抗菌活性（图3h）。抑菌圈实验证实水凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌三种测试菌株均产生明显的抑菌圈（图3i）。在抗生物膜方面，水凝胶能有效清除已形成的铜绿假单胞菌生物膜（图3j），结晶紫染色定量分析证实生物膜生物量显著减少（图3k），共聚焦显微镜观察显示处理后生物膜内大部分铜绿假单胞菌呈红色荧光（死亡）且生物膜厚度显著减小，而对照组则保留大量绿色荧光（活菌）（图3l）。
图3. 水凝胶的黏附、抗氧化、抗菌和抗生物膜性能。（a）水凝胶在各种基材上黏附的光学图像。（b）水凝胶在37°C和冷水冲洗后对猪皮共形黏附的照片。（c）水凝胶密封PET瓶防止漏水的数码照片。（d）水凝胶在不同浓度下的ABTS⁺⁺和DPPH测定的光学图像。（e）ABTS⁺⁺和（f）DPPH自由基清除活性。（g）EPR光谱证实水凝胶的自由基清除能力。（h）PBS和水凝胶处理后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的相对存活率。（i）水凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的抑菌圈图像。（j）PBS和水凝胶处理铜绿假单胞菌生物膜的SEM图像、（k）结晶紫染色统计和（l）荧光图像。
与商业防晒产品（如含微米级ZnO和TiO₂的配方）的不透明白色外观不同，该水凝胶在较薄厚度下仍保持可见光波段的光透射能力，尽管因天然多酚本身呈现轻微褐色，但涂覆薄层后仍保持较高的可见光透光率（图4a）。紫外-可见透射光谱显示，水凝胶的紫外吸收强度甚至优于商业防晒产品（图4b），其防晒系数值也显著高于商业产品（图4c）。将水凝胶均匀涂抹于人体皮肤后，即使在反复弯曲运动中仍能保持共形黏附，证明其适用于动态皮肤表面（图4d）。在罗丹明B光降解保护实验中，水凝胶组在80分钟紫外照射后染料保留率接近100%，比商业防晒组高出53%（图4e）。细胞活性实验表明，即使直接与高浓度水凝胶共孵育24小时，HaCaT角质形成细胞仍保持高细胞活力（图4f）。在细胞光防护实验中，研究团队设计了紫外照射细胞保护模型（图4g），水凝胶组对紫外照射诱导的细胞死亡表现出与未照射对照组相当的保护效果，细胞存活率显著优于商业防晒组（图4h），活/死染色荧光信号也证实了这一结果（图4i）。水凝胶组细胞内活性氧水平与未照射对照组相当，而商业防晒组则出现显著的活性氧升高（图4j、4l）。线粒体膜电位检测显示水凝胶组能有效维持线粒体功能，去极化细胞比例与未照射对照组接近（图4k、4m）。
在储存稳定性方面，水凝胶在密封避光、室温光照、覆盖上层水避光、4°C和37°C水浴等不同条件下存放14天后，宏观形貌和紫外防护能力均保持良好；仅在敞口避光存放条件下出现干燥失水。此外，经过长达5小时的循环紫外照射，水凝胶仍能维持有效的光防护性能，表明天然多酚主要通过紫外能量耗散而非不可逆消耗实现紫外屏蔽。
图4. 水凝胶的体外紫外防护。（a）空白玻璃与添加相同质量水凝胶/商业防晒霜的玻璃透明度光学照片。（b）紫外-可见透射光谱和（c）水凝胶及商业防晒霜的相应SPF值。（d）水凝胶在人体皮肤上反复弯曲运动中保持共形黏附的照片。（e）不同材料保护下罗丹明B的光降解曲线。（f）水凝胶处理后MTT法评估的细胞活力。（g）细胞紫外防护测试实验装置示意图。（h）不同材料保护下HaCaT细胞的活/死染色统计和（i）荧光信号。（j）紫外照射后HaCaT细胞内ROS水平的定量分析。（k）不同材料对线粒体膜电位的影响。（l）基于DCFH-DA染色的细胞内ROS水平流式细胞术分析。（m）JC-1染色的线粒体膜电位流式细胞术分析。
在小鼠模型中，研究团队首先考察了水凝胶在皮肤上的保留行为（图5a），水洗（W）和湿毛巾擦拭（T）后的定量分析显示水凝胶的保留率与商业防晒霜相当（图5b、5c），且可通过湿毛巾轻松擦拭去除，实现清洁无残留（图5d）。Cy5荧光标记的水凝胶涂抹于皮肤4小时后，红色荧光信号仅局限于皮肤表面，未检测到明显的经皮渗透，而商业防晒组则观察到部分荧光信号进入皮肤（图5e），这充分证明了全小分子水凝胶体系极低的皮肤渗透倾向。在小鼠紫外照射实验中（图5f），水凝胶覆盖区域的皮肤完整性和形态保持良好，与铝箔覆盖的未照射对照组相当，且优于商业防晒组。苏木精-伊红染色数据显示，未保护组紫外照射后表皮厚度显著增加，而水凝胶组的表皮厚度显著优于商业防晒组和未保护组（图5g、5j）。Masson三色染色显示未保护组和商业防晒组的角质过度生成显著高于水凝胶组，表明水凝胶可防止进一步的皮肤刺激和毛周角化（图5h、5k）。连续5天照射后皮肤镜观察显示，水凝胶保护的小鼠皮肤老化程度最低，几乎与未暴露于紫外线的对照组相同（图5i）。
图5. 水凝胶对小鼠的体内紫外防护。（a）水凝胶经水洗（W）或湿毛巾擦拭（T）后保留行为示意图。（b）代表性照片和（c）水凝胶及商业防晒霜经不同处理后的保留定量分析。（d）水凝胶从皮肤上清洁无残留去除的照片。（e）Cy5标记水凝胶和商业防晒霜在小鼠皮肤上黏附4小时后的荧光显微镜图像。（f）小鼠紫外防护机制示意图。（g）紫外处理后小鼠表皮厚度和（h）角质浓度的定量分析。（i）各组皮肤镜观察、（j）H&E和（k）Masson染色图像。
巴马小型猪模型的实验结果进一步验证了水凝胶的临床转化潜力——在1200 mJ/cm²的紫外照射剂量下，水凝胶保护的表皮厚度基本维持原有水平，而商业防晒组表皮厚度增加了约80%（图6c、6d、6h）。Masson染色显示水凝胶组角质积累显著减少（图6e、6i），普鲁士蓝染色证实水凝胶能有效减少表皮区域黑色素生成，优于商业防晒组（图6f、6j），γ-H2AX免疫组化染色则表明水凝胶组的DNA双链断裂水平与未照射对照组相当，而商业防晒组则出现明显的γ-H2AX募集，表明DNA损伤增加（图6g、6k）。综合比较显示，该水凝胶在防晒系数、抗菌、抗氧化、黏附性、制备简便性和非渗透性皮肤安全等方面展现出独特的综合优势，超越了大多数已报道的防晒材料（图6a）；其防晒系数值在单一指标比较中也优于绝大多数已报道的有机分子、无机颗粒、聚合物基和微胶囊型防晒体系（图6b）。
图6. 水凝胶对巴马小型猪的体内紫外防护。（a）水凝胶与其他防晒材料的SPF值、抗菌、抗氧化和黏附能力、制备步骤数和皮肤渗透性比较。（b）不同防晒体系的SPF值比较，突出全小分子水凝胶相对于其他类别的性能。（c）巴马小型猪紫外防护机制示意图。（d）各组H&E、（e）Masson、（f）普鲁士蓝和（g）γ-H2AX染色。（h）紫外暴露后巴马小型猪表皮厚度测量、（i）角质含量定量分析、（j）黑色素水平和（k）DNA损伤。
本研究通过仿生植物多酚光防护策略，成功开发出一类集高防晒效能、多重生物活性和优异安全性于一体的全小分子水凝胶材料。该体系摒弃了传统防晒产品中复杂的载体和化学交联剂，以天然来源的构建单元通过非共价相互作用自组装形成功能网络，为新一代安全、高效、多功能的防晒材料设计提供了全新思路。研究团队认为，通过进一步优化多酚组分和分子结构，有望在保持紫外防护性能的同时进一步降低可见光着色，推动该材料在个人护理和临床光防护领域的实际应用。
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