高硼含量硼硅酸盐生物活性玻璃3D纤维基质促进慢性糖尿病伤口愈合的机制研究

为解决糖尿病伤口因细胞外基质(ECM)功能障碍、血管生成受损和持续炎症导致的难愈问题，研究人员通过优化溶胶-凝胶静电纺丝参数，首次开发出硼含量高达70 mol%的硼硅酸盐生物活性玻璃(BG)纳米纤维伤口基质。该研究证实55SiO2-30CaO-15B2O3（55S30C15B）基质能显著促进成纤维细胞分泌血管内皮生长因子(VEGF)和碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，并增强内皮细胞迁移和代谢活性。动物实验显示该材料通过协同释放硼酸盐(BO33?)、钙离子(Ca2+)和硅酸盐(SiO44?)，显著加速伤口闭合、促进血管新生和胶原沉积，为慢性伤口治疗提供了创新解决方案。

　　

慢性糖尿病伤口因复杂的病理微环境成为临床难题——细胞外基质(extracellular matrix, ECM)形成障碍、血管网络重建受阻、持续炎症反应导致高达60%的截肢率，单例治疗费用超过5万美元。传统皮肤移植面临供体短缺、功能缺失等问题，而现有生物材料难以同时满足结构仿生与多重生物学调控需求。针对这一挑战，中国的研究团队创新性地将目光投向硼硅酸盐生物活性玻璃(borosilicate bioactive glass, BG)，通过突破性工艺开发出全球首个硼含量超2 mol%且最高达70 mol%的3D纳米纤维基质，相关成果发表于《Acta Biomaterialia》。

研究采用改良溶胶-凝胶静电纺丝技术制备(70-x)SiO₂-30CaO-xB₂O₃系列纤维基质，通过优化搅拌速度、钙源添加时机等参数抑制钙硼酸盐结晶；利用X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征材料结构；通过体外细胞实验评估人真皮成纤维细胞(HDFs)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的代谢活性(MA)及生长因子表达；建立链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病小鼠模型进行体内疗效验证，采用组织学染色和免疫组化分析伤口愈合各阶段关键指标。

3.1 3D ECM-mimicking borate-based bioactive glass wound matrices
通过工艺创新成功制备纤维直径100-300 nm的3D基质，FTIR证实硼以Si-O-B键形式整合入玻璃网络，55S30C15B组在600°C烧结后仍保持非晶态，克服了高硼含量易结晶的技术瓶颈。

3.2 Biodegradability of wound matrices
体外降解实验显示材料可持续释放治疗离子，55S30C15B组在DMEM中7天内释放BO₃^3?达125 μg/mL，Ca²⁺和SiO₄^4?释放动力学受硼调节，pH稳定在7.4-8.5区间。

3.3-3.4 In vitro fibroblast response
4 mg/mL 55S30C15B溶解产物虽使HDFs代谢活性降低，但显著上调VEGF(3.2倍)和bFGF(2.8倍)表达，总DNA检测证实细胞数量未显著减少，提示硼诱导的"伪缺氧"状态选择性激活促愈通路。

3.5 Endothelial cell activities
55S30C15B-HDF条件培养基使HUVECs迁移数增加4倍，VEGF分泌峰值达350 pg/mL，证实硼通过旁分泌机制增强血管生成信号传导。

3.6-3.10 In vivo therapeutic effects
糖尿病小鼠模型中，55S30C15B基质组13天伤口闭合率达90%，较对照组(45%)显著提升。组织学分析显示其同时实现：

• 抗炎：IL-1β降低60%，IL-10升高2.1倍
• 血管新生：CD31⁺血管密度增加3倍
• 组织重塑：α-SMA阳性肌成纤维细胞增加80%，胶原沉积面积达65%

该研究首次阐明硼酸盐在伤口愈合中的剂量效应：125-250 μg/mL BO₃^3?通过调控HIF-1α/VEGF轴促进血管化，同时抑制COX-2/iNOS减轻炎症；而纳米纤维结构通过物理线索加速ECM重建。相比临床产品Mirragen?（含刺激性Na/K），该材料兼具优异的生物相容性与可控降解性。研究为设计下一代智能伤口敷料提供了理论框架，其"离子疗法"结合"结构仿生"的双重策略，为糖尿病足溃疡等慢性伤口治疗开辟了新途径。