ROS/pH双响应亲水性转换纳米载体协同治疗糖尿病创面的研究

《Regenerative Biomaterials》：ROS-Triggered Hydrophilicity Switching Synergizes with pH-Responsive Nanocarriers for Therapy of Diabetic Wound

本研究针对糖尿病慢性创面难以愈合的临床难题，开发了一种基于姜黄素(Cur)和沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)的ROS/pH双响应智能水凝胶系统(GC-HA@ZIF-8@Cur)。该系统通过ROS触发的亲水性转换和pH响应的纳米载体降解，实现了药物的时空精准释放，有效调控免疫微环境，促进血管生成，在糖尿病大鼠模型中创面愈合率达到96.372±0.779%，为慢性创面治疗提供了创新性多靶点协同治疗策略。

　　

糖尿病慢性创面是糖尿病患者最严重的并发症之一，全球约1.5亿糖尿病患者面临慢性创面形成的风险，其中15%-25%会发展为持久性溃疡，每年导致超过百万例截肢手术。这种难以愈合的创面背后隐藏着一个恶性循环：持续的炎症反应与过度的氧化应激相互加剧，形成"炎症-氧化应激-组织损伤"的病理闭环。在这个循环中，巨噬细胞极化为促炎的M1表型，持续释放炎症介质，同时活性氧(ROS)过度产生直接损伤线粒体功能，并激活NLRP3炎症小体，进一步放大炎症信号。

当前临床治疗主要依赖糖皮质激素和非甾体抗炎药等单一作用机制的药物，但这些药物存在抑制胶原合成、延迟上皮再生、半衰期短需频繁给药等局限性，难以应对糖尿病创面愈合的多因素病理生理过程。姜黄素(Cur)作为一种天然多酚化合物，具有抗炎、抗氧化和抗菌的多靶点效应，但其疏水性和较差的生物利用度严重限制了临床应用。

针对这一挑战，研究人员在《Regenerative Biomaterials》上发表了一项创新性研究，开发了一种ROS/pH双响应亲水性转换智能水凝胶系统(GC-HA@ZIF-8@Cur)。该系统巧妙地将沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)与动态交联水凝胶相结合，通过多层次响应机制实现精准药物递送。

研究采用的关键技术方法包括：通过纳米共沉淀法制备载药ZIF-8纳米颗粒并对其进行透明质酸(HA)表面修饰；利用紫外光引发聚合制备甲基丙烯酰化明胶(GelMA)和硫辛酸接枝壳聚糖(CSLA)的复合水凝胶；通过体外药物释放实验评估材料的双重响应特性；采用糖尿病大鼠全层皮肤缺损模型进行体内疗效评价（动物样本来自南华大学实验动物中心）。

3.1 HA@ZIF-8@Cur的制备与表征

研究首先通过纳米共沉淀法成功制备了HA@ZIF-8@Cur纳米颗粒。表征结果显示，姜黄素的包封率为12.32±0.35%，载药量为104.08±3.82 mg/g，Zn²⁺含量为228.29 mg/g。透射电镜显示纳米颗粒保持均匀的六边形形态，平均直径为200 nm。元素 mapping显示C、N、O、Zn元素均匀分布。Zeta电位测试表明，经过Cur负载和HA修饰后，纳米颗粒表面电位从+35.29±3.35 mV转变为-16.91±3.01 mV，证实了HA的成功修饰。

3.2 水凝胶的表征、力学性能、药物释放行为及降解性能

通过¹H-NMR和FTIR光谱证实了GelMA和CSLA的成功合成。流变测试显示GC-HA@ZIF-8@Cur的固化时间与对照组相似，但储存模量相对较低，这与纳米颗粒引入后部分阻碍化学交联有关。扫描电镜显示GC水凝胶具有丰富紧密的多孔结构，而GC-HA@ZIF-8@Cur则呈现更大孔径但更无序的交联网络。

力学性能测试表明，GC-HA@ZIF-8@Cur的断裂应变为72.743±4.611%，拉伸强度为27.817±3.653 kPa，压缩断裂应变为36.400±3.454%，压缩强度为42.077±7.589 kPa。溶胀测试显示，在H₂O₂刺激下，水凝胶的溶胀比在正常环境下增加了2.0倍。接触角测试表明，经过H₂O₂处理后，水凝胶的接触角从94.098±12.480°（疏水）显著降低至7.730±4.044°（亲水），证实了ROS触发的亲水性转换。

药物释放研究表明，在酸性和H₂O₂条件下，80小时内姜黄素的累积释放率超过60%，符合Korsmeyer-Peppas模型，表明药物释放受扩散和溶胀机制共同调控。降解实验显示，水凝胶在37°C的PBS中孵育14天后，质量保留率为63.78±3.13%，表现出与创面愈合时间线相匹配的可控降解特性。

3.3 水凝胶的抗氧化和抗菌性能

DPPH和ABTS自由基清除实验表明，GC-HA@ZIF-8@Cur具有显著的ROS清除能力，主要归因于姜黄素的抗氧化活性。抗菌实验显示，含Cur的实验组对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出明显的抗菌效果，而GC和HA@ZIF-8组几乎没有活性，证实抗菌性能主要来自姜黄素。

3.4 水凝胶的生物相容性和血管生成分析

细胞实验表明，HA@ZIF-8@Cur组在HUVECs中表现出更高的细胞摄取效率。溶血试验显示溶血率低于0.3%，CCK-8检测显示细胞存活率大于95%，证实了材料优异的生物相容性。Transwell和小室迁移实验表明，GC-HA@ZIF-8@Cur能显著促进细胞迁移，48小时划痕闭合率达到92.824%±0.170%。血管形成实验显示，该水凝胶能促进更完整的血管网络形成。

3.5 体外细胞ROS清除和抗炎活性分析

DCFH-DA荧光染色显示，GC-HA@ZIF-8@Cur处理能显著降低RAW264.7巨噬细胞内的ROS水平。免疫荧光染色表明，材料处理能显著降低iNOS（M1标志物）表达，同时提高CD206（M2标志物）水平，成功诱导巨噬细胞向M2表型极化。

3.6 体内评价水凝胶对糖尿病创面愈合的功效

动物实验显示，GC-HA@ZIF-8@Cur组在第14天创面闭合率达到96.372±0.779%，显著优于其他组。组织学分析表明，该水凝胶能促进更完整的上皮再生和更有序的胶原沉积。

3.7 体内评价水凝胶介导的炎症调节和血管化潜力

免疫组化分析显示，GC-HA@ZIF-8@Cur能显著下调IL-6、TNF-α等促炎因子，上调IL-10抗炎因子表达。VEGF免疫组化和CD31/α-SMA免疫荧光染色证实该水凝胶能有效促进功能性血管生成。

该研究成功开发了一种智能复合水凝胶系统，通过ROS触发的亲水性转换和pH响应的纳米载体降解，实现了姜黄素的时空控释。该系统不仅能有效清除ROS、促进巨噬细胞M2极化，还能通过Zn²⁺和Cur的协同作用促进血管生成，在糖尿病创面愈合中展现出三重治疗效应。研究证实了该水凝胶系统具有优异的力学性能、生物相容性和生物降解性，为慢性创面治疗提供了新的多靶点协同治疗策略，在组织工程和药物递送领域具有重要的应用前景。