光合气动贴片：深度创伤愈合的创新之光

这篇研究开发了一种光合驱动的双层气动微针贴片，将产氧蓝藻与芝麻素结合（CS - MNs）。它能持续为深层伤口供氧，促进脂肪组织功能调节，加速伤口愈合，为慢性创伤治疗提供了新的可行方案，极具创新性和应用潜力。

　　

引言

慢性深层伤口，尤其是穿透脂肪层的伤口，治疗面临诸多难题。传统外部治疗方法难以有效作用于深层受损组织，现有氧气疗法也存在局限性，如无法持续为深层组织供氧。同时，目前对脂肪层的再生和功能恢复关注不足，这成为改善深层伤口治疗效果的关键瓶颈。

伤口愈合受多种因素影响，其中缺氧问题突出。缺氧会抑制细胞代谢活动、成纤维细胞增殖和胶原蛋白合成，阻碍新血管形成，还会加剧炎症反应和氧化应激，损害组织结构和细胞功能。近年来，新兴的氧疗策略虽有前景，但仍面临挑战，如持续供氧、精准靶向和临床应用兼容性等问题。

为解决这些难题，研究人员开发了一种创新的双层气动力微针系统，将产氧蓝藻与芝麻素相结合，专门用于治疗深层脂肪层伤口。该系统利用蓝藻的光合作用持续供氧，通过外部光照精确控制氧气释放，克服了传统氧疗策略的局限性。同时，首次将芝麻素引入伤口治疗，利用其调节脂肪细胞分泌脂联素（ADP）的能力，优化深层伤口的修复过程。

结果

1. 蓝藻 - 芝麻素双层气动微针的制备与细菌活性验证：蓝藻 - 芝麻素双层气动微针（CS - MNs）结合了蓝藻的产氧特性和芝麻素的治疗功能。制备时需选择合适材料，优化微针几何尺寸，确保蓝藻和芝麻素有效嵌入并保持活性。所设计的双层微针结构中，蓝藻在内层，光照刺激下产生大量氧气，不仅改善伤口局部微环境，还能驱动外层芝麻素释放。通过一系列表征和测试发现，双层微针形态稳定，机械强度满足穿透皮肤要求，蓝藻在微针内活性高，且在室温下能维持较长时间活性，4°C 储存更有利于长期保存。
2. 光控蓝藻释氧，成为气动力氧微针的开关：蓝藻通过光合作用产氧，与微针介导的药物递送结合，可优化伤口愈合过程。研究对不同光照条件下蓝藻溶液和载蓝藻微针的产气过程进行全程跟踪，发现自然光照（12 h 光 / 12 h 暗）条件下，蓝藻溶液的产氧量和产氧速率显著高于连续光照和黑暗条件。进一步研究不同光强（32 W/m2 和 88 W/m2）对蓝藻产氧的影响，确定 32 W/m2 更有利于产氧。此外，还发现载蓝藻微针在接触模拟体液后 1 - 5 h 为最佳产气期，此时产氧量和产氧速率达到峰值，为微针在伤口愈合中的临床应用提供了理论支持。
3. 载蓝藻微针气体穿透深度的表征：评估载蓝藻微针（C - MNs）释放的氧气穿透组织的深度至关重要，它直接影响治疗效果。研究使用不同厚度的猪皮和透皮测试装置，结合连续气体监测系统，测量氧气穿透不同厚度皮肤后的浓度。结果表明，C - MNs 的氧穿透率随皮肤厚度增加而降低，但在 5 mm 猪皮中的氧穿透效果仍强于纯蓝藻溶液在 2 mm 猪皮中的效果。基于小鼠的体外实验也证实，C - MNs 能有效穿透不同厚度的皮肤组织，在较厚皮肤区域也能保持较高的氧穿透能力，为其在伤口愈合中的应用奠定了基础。
4. 载蓝藻微针药物递送性能的表征：C - MNs 具有出色的产氧能力和透气性，产生的氧气在微针半封闭环境中形成压力，加速外层可溶性聚乙烯醇（PVA）层溶解，促进药物释放。研究用罗丹明染料模拟药物释放过程，发现载蓝藻的产气微针能将模拟药物输送到皮下 1000 μm 以下深度，在 450 - 900 μm 的深层组织中，药物扩散范围显著扩大。通过设计检测装置监测气体压力，发现压力增加期与最佳产气时间一致，最大压力达到 0.05 N。此外，用芝麻素替代罗丹明进行实验，结果表明该系统的长期药物递送稳定性可靠，在深层皮肤层的递送效果良好。
5. 芝麻素诱导脂肪细胞产生 ADP 促进伤口愈合的机制：脂联素是脂肪细胞分泌的内源性生物活性肽，在伤口愈合中起重要作用，缺乏 ADP 的小鼠伤口愈合延迟。芝麻素可激活皮下脂肪细胞上的 ADP 受体，显著增强 ADP 分泌，从而促进伤口愈合。研究通过体外培养小鼠 3T3 - L1 前脂肪细胞，建立分化模型并进行伤口愈合实验，发现一定浓度（50 μg/mL）的芝麻素能显著提高细胞增殖和迁移能力，减少伤口愈合面积。免疫荧光实验进一步证实，芝麻素处理可提高 3T3 - L1 细胞上 AdipoR1/2 受体蛋白的激活水平，为芝麻素在伤口愈合中的应用提供了理论支持。
6. 蓝藻 - 芝麻素双层气动微针（CS - MNs）治疗效果的验证：传统治疗糖尿病伤口的方法效果不佳，为此开发的 CS - MNs 系统，在光照刺激下，蓝藻产氧产生推进力，将芝麻素输送到皮下深层组织。通过建立糖尿病小鼠伤口模型，设置多个实验组进行验证。结果显示，CS - MNs 组伤口直径减小最明显，结痂更快，愈合效果最佳，血清中 ADP 水平最高。免疫荧光实验表明，含芝麻素的处理组（如芝麻素组、S - MNs 组和 CS - MNs 组）AdipoR1/2 受体蛋白激活水平更高，证实该系统促进了芝麻素向皮下脂肪细胞的深层递送，刺激 ADP 分泌，进而促进伤口愈合。此外，该微针系统在另一标准伤口模型中也能有效促进伤口愈合，具有广泛的适用性。

讨论

研究提出的 CS - MNs 系统旨在增强深层伤口愈合，尤其是涉及脂肪层的伤口。蓝藻在微针内层受光刺激产氧，改善局部微环境，驱动芝麻素释放，促进深层组织愈合。芝麻素刺激脂肪细胞产生 ADP，增强脂肪组织功能，调节炎症反应。该系统的双层微针设计可实现持续释氧和芝麻素的深层递送，在糖尿病伤口小鼠模型中表现出显著的治疗效果。

从临床转化角度看，CS - MNs 系统具有经济可行性。其采用可扩展的制造技术，使用天然来源的蓝藻和芝麻素，降低了材料成本，且光控释放机制可提高给药精度，减少治疗频率，降低医疗成本。相比传统伤口愈合治疗方法，如凝胶敷料和氧气释放绷带，CS - MNs 系统在持续氧释放和深层药物渗透方面具有优势，有望为长期治疗提供更具成本效益的解决方案。

然而，该系统仍面临一些挑战。例如，蓝藻在微针内的稳定性有待进一步优化，需防止其在微针破裂后意外释放物质，并保持其生物活性。此外，载蓝藻微针的储存和运输也是关键问题，目前微针在 4°C 储存以维持蓝藻代谢活性，但对于超过 48 h 的长期储存，还需考虑如冻干、添加冷冻保护剂或封装等额外的保存策略。在运输过程中，要保持稳定的温度和避免光照，以确保系统的稳定性。

CS - MNs 系统的优势不仅体现在糖尿病慢性伤口治疗上，还可扩展到组织再生和慢性疾病管理等领域。在组织再生中，它可促进脂肪层修复，改善皮肤和软组织愈合；在慢性炎症调节和脂肪组织重建方面，尤其是糖尿病和肥胖等代谢疾病的管理中，芝麻素的抗炎特性可能提供新的治疗方法。

当前微针系统利用蓝藻的光合作用产氧，受可见光穿透深度限制，在治疗深层或内部伤口时可能影响疗效。未来可采用近红外（NIR）光技术，结合上转换纳米颗粒，将 NIR 光转换为可见光激活蓝藻产氧。但在临床应用中，还需考虑 NIR 光源的集成、设备的专门化以及确保伤口部位均匀充足的光照等问题。此外，结合其他治疗策略，如局部药物递送系统或替代氧释放材料，可在光照不理想时提供补充氧气供应，促进伤口愈合。

方法

1. 材料：实验使用的材料包括从 HEOWNS 公司购买的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、2 - 羟基 - 2 - 甲基苯丙酮（HMPP）等，从淡水藻种库购买的 BG11 无菌培养基和蓝藻（Cyanothece sp. FACHB - 2211），以及符合相关规定的 6 - 8 周龄雄性 BALB/c 小鼠。
2. CS - MNs 的制备方法：先将 PEGDA 和无水乙醇按 7:3 混合，加入 1% HMPP 搅拌得到底物溶液。离心蓝藻溶液后收集沉淀，与底物溶液混合，倒入微针模具，真空处理去除气泡，必要时 UV 固化形成单层微针。在制备双层微针时，先在模具中预添加 PVA 和罗丹明混合物，风干后加入载蓝藻的 PEGDA 底物溶液，重复单层微针制备步骤并 UV 固化。
3. CS - MNs 的机械性能测试：使用位移力测试系统（CMT6103）测量 CS - MNs 的机械性能，将单个微针固定在垂直的刚性不锈钢平台上，传感器探针以 0.2 mm/s 的速度垂直下降，测量从接触针尖到移动 1 mm 过程中的力。
4. CS - MNs 活性验证：使用 Live & Dead 细菌染色试剂盒（YENSEN）评估微针中蓝藻的活力，其中 DMAO 和 EthD - 3 分别可将活细菌染成绿色、死细菌染成红色，通过荧光显微镜和共聚焦显微镜观察染色结果。
5. 氧气电极检测产气：使用 UNISENSE 公司的 O₂ - 25 型微电极系统，在密封、室温（20°C）条件下，测量不同光照条件（自然光、连续光照、黑暗）下蓝藻 24 h 的产气量，测量皮下气体浓度时将电极直接插入皮下。
6. 皮肤渗透测试：将新鲜猪皮角质层朝上放置在培养皿中，保持湿润但不浸没。分别插入载罗丹明和蓝藻的微针（RC - MNs）及不含蓝藻的微针（R - MNs），按压 24 h 后，用共聚焦显微镜观察罗丹明在组织中的穿透深度。
7. 检测载蓝藻微针产气产生的压力：在微针制备过程中，在两层之间嵌入薄膜状压力传感器，传感器连接器连接到万用表，通过测量传感器电阻变化检测压力变化。
8. 细胞培养：3T3 - L1 细胞在含有 10% 热灭活胎牛血清（FBS）、1% 青霉素和链霉素（P/S）的杜氏改良 Eagle 培养基（DMEM）中培养，在 37°C、5% CO₂培养箱中培养，每 2 - 3 天传代一次。使用经典的 “激素鸡尾酒” 方法诱导 3T3 - L1 前脂肪细胞分化，建立分化模型。
9. 细胞免疫荧光实验：将 3T3 - L1 细胞接种在共聚焦培养皿中，培养后用 PBS 洗涤，4% 多聚甲醛（PFA）固定，封闭后加入稀释的一抗（anti - AdipoR1/2）孵育过夜，次日洗涤后加入稀释的二抗孵育，最后用 DAPI 染色，在共聚焦荧光显微镜下观察。
10. 动物实验：制备 0.1 mol/L 柠檬酸钠溶液并调节 pH 至 4.5，溶解链脲佐菌素（STZ）制备 14 mg/mL 的 STZ 溶液。小鼠禁食 12 h 后腹腔注射 STZ（70 mg/kg）建模，测量血糖浓度高于 16.8 mmol/mL 视为建模成功。小鼠背部脱毛、消毒后，用组织打孔器制备均匀伤口，并随机分为 5 组进行不同处理。
11. 动物实验分组：糖尿病伤口模型小鼠分为 5 组，分别为未治疗模型组（control）、芝麻素治疗组（sesamin）、芝麻素微针组（S - MNs）、蓝藻 - 芝麻素双层气动微针组（CS - MNs）和载蓝藻微针组（C - MNs），每组小鼠每 3 天接受相应处理，治疗期间每天测量伤口直径。
12. 血液中 ADP 水平的检测：治疗后从眼眶静脉丛采集血液样本，加入 EDTA 和肝素防止凝血，离心后收集上清液，使用 ELISA 试剂盒测量 ADP 水平，通过酶标仪在 450 nm 波长处测定吸光度（OD 值）并计算浓度。
13. 苏木精 - 伊红染色：对微针应用部位进行苏木精 - 伊红（H&E）染色，实验结束后解剖小鼠的心脏、肝脏等组织及微针使用部位的皮肤组织，固定在 4% 甲醛溶液中，脱水、石蜡包埋、切片后进行 H&E 染色分析。
14. 小鼠皮肤组织免疫荧光实验：取出小鼠组织切片，用 PBS 洗涤，4% PFA 固定，封闭后加入稀释的一抗（anti - AdipoR1/2）孵育过夜，次日洗涤后加入稀释的二抗孵育，最后用 DAPI 染色，处理后进行观察。
15. 统计信息：实验结果以 mean ± SD 表示，未配对数据使用双侧 Student's t 检验，其他数据用 GraphPad Prism 8.0.2 软件分析，p < 0.05 视为有统计学意义，使用 ImageJ 软件对小鼠背部伤口测量、共聚焦显微镜荧光定量和细胞划痕实验定量。

资源可用性

1. 主要联系人：如需进一步信息或资源、试剂，可联系主要联系人 Bin Zheng（[e-mail]）。
2. 材料可用性：本研究未产生新的独特试剂。
3. 数据和代码可用性：支持本研究结果的数据在论文及其补充信息中，合理请求下可从主要联系人处获取所有数据，重新分析数据所需的额外信息也可应要求从主要联系人处获得，本论文未报告原始代码。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（32271400 和 324B2045）的支持，资助者在研究设计、数据收集、分析、出版决策和稿件准备过程中没有参与。

作者贡献

Bin Zheng、Bin Li 和 Qiang Li 参与了研究的概念构思和实验设计；Rui Yang、Xin Chen、Guo Fang 和 Zhen Wang 进行了微针制备和细胞生物学实验；Bin Li 和 Chao Sun 进行了图像分析；Ying Tao 和 Hui Huang 进行了数据分析和实验验证；Bin Zheng 和 Qiang Li 撰写了论文，所有作者都提供了意见；Yong Bin 监督了整个研究并修改了论文。

利益声明

作者声明无利益冲突。