一种经过儿茶酚修饰的季铵化壳聚糖/聚乙二醇水凝胶用于糖尿病伤口愈合：TGF-β3释放、血管生成和抗菌活性的协同作用

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：A catechol-modified quaternized chitosan/PEG hydrogel for diabetic wound healing: synergistic effects of TGF-β3 delivery, angiogenesis, and antibacterial activity

糖尿病足溃疡（DFUs）的生物膜形成阻碍愈合，本研究开发了一种多功能水凝胶BP-QS/TGF-β3，结合壳聚糖衍生物的抗菌性能和TGF-β3的促愈合作用，通过动物实验证实其显著加速伤口闭合，促进胶原沉积和血管生成，且无系统毒性。

　　
糖尿病足溃疡（DFUs）是糖尿病患者的严重并发症，其高发病率、复发率和伴随的截肢、死亡风险受到广泛关注。慢性伤口修复受阻的机制涉及多重病理因素，包括持续炎症、微环境缺氧、细胞功能障碍及生物膜感染等。传统治疗手段如抗生素敷料和生长因子局部注射存在疗效短暂、易引发耐药性等问题，亟需开发具有长效抗菌和促进组织再生功能的新型生物材料。

该研究创新性地构建了基于季铵化壳聚糖（QCS）和四臂聚乙二醇（4-arm PEG-CHO）的复合水凝胶体系，并整合TGF-β3生长因子实现双重功能协同。材料设计上，QCS-Catechol通过季铵化反应获得强粘附性，同时保留壳聚糖的天然抗菌性能；而4-arm PEG-CHO的引入增强了水凝胶的机械强度和生物相容性。这种复合材料的协同效应体现在两方面：首先，季铵基团与多巴酚醛缩合反应产生的动态键使材料具备快速凝胶化（2-3分钟）和自修复能力，可适应糖尿病伤口不规则形态；其次，通过控制释放机制实现抗菌活性成分与生长因子的时空精准释放。

在性能验证方面，复合水凝胶展现出优异的理化特性。扫描电镜显示其具有多孔结构（孔径5-30微米），孔隙率适中且连通性好，这为细胞迁移和营养交换提供了理想的三维支架。机械性能测试表明其杨氏模量（10.2 kPa）和断裂延伸率（264.3%）达到临床可接受标准，既能保持结构完整性，又具备足够的柔韧性以适应皮肤动态形变。值得关注的是其双重降解机制：早期（0-7天）主要分解表面PEG链段，中期（7-14天）通过酶解作用逐步降解壳聚糖骨架，这种分阶段降解特性确保了生长因子缓释周期与伤口修复时序的匹配。

抗菌性能测试揭示了材料的多重抑菌机制。对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制效率分别达到95.3%和94.6%，其作用机理包含物理屏障效应（孔隙结构阻隔细菌迁移）和化学抑制（季铵基团破坏细胞膜）双重机制。特别需要指出的是，该水凝胶在负载TGF-β3后，未出现明显的抗菌活性衰减，这与其独特的缓释特性密切相关——TGF-β3在14天内持续释放达91.5%，且释放速率经过精确调控，既保证生长因子有效浓度，又避免局部浓度过高引发的毒性反应。

在细胞生物学层面，该材料展现出显著的生物相容性。CCK-8检测显示空白水凝胶组细胞存活率达98.7%，证明材料本身无细胞毒性。当整合TGF-β3后，细胞增殖速率提升至135.2%，这种协同效应源于生长因子与支架材料的三重作用：①机械支撑减少细胞外基质降解；②缓释机制维持持续刺激信号；③免疫调节作用促进细胞功能恢复。流式细胞术数据显示，TGF-β3负载组早期凋亡率降低（p<0.05），而晚期凋亡减少更为显著（p<0.001），这可能与生长因子对氧化应激的缓解作用有关。

动物实验部分验证了材料的多效性治疗优势。在STZ诱导的糖尿病小鼠模型中，复合水凝胶组在12天时相对伤口缺损比降至7.3%，显著优于单独应用生长因子组（15.82%）和基础水凝胶组（13.33%）。组织学分析显示其促进修复的三大核心机制：①促进胶原合成，Masson染色显示纤维层厚度达724.61微米，是对照组的2.07倍；②加速血管生成，CD31阳性细胞占比达3.039%，较其他组提升2-4倍；③调控细胞周期，Ki-67增殖指数达3.578%，证实材料能有效激活细胞修复程序。

值得注意的是，该研究首次将抗菌与促修复功能整合于单一水凝胶体系。传统处理方式需交替使用抗菌敷料和生长因子敷料，而复合水凝胶通过材料设计实现双重功能协同：抗菌层减少病原体定植，同时为TGF-β3释放创造无菌微环境。这种"防御-修复"一体化策略有效解决了慢性伤口中感染与修复并行的矛盾，使伤口修复周期从常规的21-28天缩短至12天。

临床转化潜力方面，材料具备显著优势：①快速凝胶化特性（2-3分钟）适合微创注射；②高粘附强度（28.5 J/m2）确保与不规则伤口的紧密贴合；③pH响应型降解特性（pKa 5.5-6.0）与伤口微环境相匹配。这些特性使其成为理想的新型糖尿病伤口敷料，特别适用于难以自愈的深度溃疡和感染性伤口。

未来研究方向应着重解决三个关键问题：①长期体内安全性评估，需通过大动物模型（如羊）进行至少6个月的跟踪观察；②免疫微环境调控机制，建议增加流式细胞术和单细胞测序技术，解析M1/M2巨噬细胞比值变化及TGF-β3信号通路激活过程；③生物膜靶向策略，可尝试在材料表面修饰抗生物膜肽段，进一步提升抗菌效果。这些改进将推动该材料从实验室研究向临床转化迈进。

总之，本研究通过材料基因组学设计，成功实现了抗菌、促修复、免疫调节三大功能的有机整合。其创新性在于：①首创"动态抗菌-生长因子缓释"双功能水凝胶体系；②建立"机械支撑-化学抑制-生物信号"三位一体的修复机制；③首次验证TGF-β3与壳聚糖复合可产生协同效应，较单一应用提升修复效率2.3倍。这些突破性进展为慢性难愈性伤口提供了全新的治疗思路，具有广阔的临床转化前景。