综述：智能响应性壳聚糖敷料：从微环境感知到多功能精准伤口愈合

本综述系统阐述了壳聚糖（Chitosan）基智能敷料的设计策略与分子机制，重点聚焦其pH、酶（MMPs/lysozyme）、活性氧（ROS）及多重刺激响应特性。文章深入探讨了该类材料在感染控制、炎症调节、血管生成（Angiogenesis）及组织再生中的多功能协同机制，为糖尿病足溃疡（DFU）、压力性损伤等复杂创面的精准治疗提供了从“材料-信号-组织”一体化的创新解决方案。

　　

2. 壳聚糖基础与功能化修饰策略

2.1. 壳聚糖的分子结构与基本特性

壳聚糖是一种线性阳离子多糖，其分子结构中含有游离氨基和羟基，赋予其良好的水溶性、反应活性和生物可降解性。在生理条件下，壳聚糖带正电荷，能够与阴离子多糖、细胞膜及DNA形成静电复合物，展现出优异的生物相容性、粘附性和止血性能。这些结构特性使其成为开发生物医学功能材料（尤其在需要粘附、成膜和载药能力的伤口治疗系统中）的理想平台。

2.2. 壳聚糖的功能化修饰策略

为克服天然壳聚糖溶解度差、pH响应范围有限等固有局限性，研究人员提出了多种化学修饰策略，如羧甲基化、季铵化、磷酸化和硫酸化，以改善其溶解度和功能响应特性。同时，在复合物改性中使用绿色溶剂、生物基还原剂和低能耗工艺，可在保持抗菌和控释特性的同时最大限度地减少对环境的影响，这对大规模伤口敷料生产至关重要。羧甲基壳聚糖（CMCS）提高了水溶性并增强了螯合能力，适用于金属离子负载和构建抗菌敷料等应用。季铵化修饰拓宽了其抗菌谱并增强了生物粘附性。壳聚糖的磷酸或硫酸酯化有助于调节其在电荷转移和矿化诱导等过程中的活性。此外，引入希夫碱、酰胺键等响应性动态键或活性配体，增强了材料对pH、ROS、酶等刺激的反应能力，促进了伤口微环境条件下的“按需释放”和“适应性干预”。

3. 壳聚糖构建的智能响应机制

为适应伤口微环境的快速变化，壳聚糖基材料被广泛用于开发具有“识别-响应-干预”功能的先进系统。通过检测pH水平、酶活性、ROS和外部信号，壳聚糖促进结构重塑、控制药物释放和局部调节，为应对慢性炎症、感染和组织再生提供了多维干预策略。

3.1. 用于识别微酸性伤口的pH响应系统

受感染的伤口常呈现微酸性环境，这为开发pH响应性敷料提供了内源性触发条件。壳聚糖通过引入pH敏感的动态共价键（如希夫碱键）促进伤口微环境的适应性调节，这些结构在酸性条件下可发生可逆解离，适用于构建pH响应性交联网络，实现结构解构和按需药物释放。研究表明，采用希夫碱和酰胺双动态键设计的壳聚糖水凝胶表现出优异的止血、抗菌和再生特性。壳聚糖/透明质酸复合系统通过酶催化形成希夫碱键，在体外和体内均显著加速伤口闭合。此外，动态酰胺键等构型被用于调节材料稳定性和响应速率。例如，通过酰胺键和金属配位双交联壳聚糖和聚乙烯醇（PVA）形成的水凝胶，在治疗运动相关伤口时表现出显著的粘附、抗菌和促再生能力。采用希夫碱和酰胺双交联机制构建的壳聚糖水凝胶表现出显著的可注射性、自愈合特性和抗菌活性，在动物伤口模型中显著加快了伤口闭合和组织修复。此外，它还可用于实时监测感染伤口。羧乙基壳聚糖/藻酸盐双交联膜整合了酚红接枝壳聚糖作为嵌入式指示剂，随着pH波动显示出从橙色到紫色的可逆颜色转变，从而便于伤口pH监测。壳聚糖水凝胶加入葡萄皮花青素可实现指示伤口pH水平的视觉颜色变化。然而，临床伤口中pH触发反应的灵敏度阈值表现出显著的时空异质性，范围大约在pH 5.5至8.9之间。慢性或感染伤口尤其倾向于表现出更碱性的条件。因此，如果材料设计为仅在弱酸性条件（pH ≤ 6.5）下响应，可能导致治疗释放不充分或时机不当。

3.2. 用于疾病特异性释放的酶响应策略

在慢性伤口中，基质金属蛋白酶（MMPs）和溶菌酶等蛋白酶经常过度表达，作为开发酶响应智能敷料的内源性触发条件。壳聚糖可通过引入酶敏感连接来设计“酶剪切开关”结构，从而实现伤口的局部可控降解和封装治疗药物的按需释放。例如，壳聚糖复合材料可被设计为对MMPs作出响应，促进姜黄素的控释以增强伤口愈合功效。利用MMP8特异性底物开发的壳聚糖基敷料可实现酶介导的原位降解和抗菌肽的控释，从而显著促进慢性伤口的愈合。此外，壳聚糖在溶菌酶存在下能够发生缓释降解，使其成为开发可自降解凝胶或封装系统的合适候选者。壳聚糖溶菌酶偶联水凝胶具有可调节降解速率和感染控制双重功能，使其特别适用于组织工程和伤口愈合应用。这种方法提高了药物释放的时间和空间精度，在治疗慢性炎症伤口方面显示出巨大潜力。

3.3. ROS响应

在慢性伤口中，活性氧（ROS）的过量产生会导致持续炎症、细胞损伤和组织修复延迟。开发具有ROS清除能力的响应性敷料有助于恢复局部氧化还原平衡并促进愈合过程。壳聚糖能够与镁、金、铁等金属氧化物形成稳定复合物，从而赋予其模拟酶活性以动态清除ROS。壳聚糖季铵盐与Mg²⁺的组合通过消除ROS、减少氧化应激、促进巨噬细胞从M1向M2表型转变以及加速从炎症向增殖阶段的转变来有效治疗糖尿病伤口，同时保持氧化还原平衡。此外，掺入Au的壳聚糖复合水凝胶通过减少细菌感染和促进肉芽组织形成，在治疗金黄色葡萄球菌感染的皮肤方面显示出疗效，且不会引起ROS介导的过度炎症。在糖尿病足溃疡的微环境中，季铵化壳聚糖与Fe³⁺离子相互作用，导致ROS水平降低，从而促进组织再生和伤口愈合。此外，壳聚糖凝胶封装的Mn₃O₄纳米颗粒可促进无疤痕伤口愈合，突出了氧化还原缓冲在整体伤口愈合过程中的重要性。该系统在促进慢性难愈伤口模型（如糖尿病足溃疡）内的组织修复方面表现出显著优势。然而，在ROS高水平的环境中，必须认识到Fe或Cu的存在可能导致·OH的过度产生，从而可能造成膜损伤和细胞毒性效应。此外，具有较高阳离子密度的季铵化壳聚糖可能刺激角质形成细胞和红细胞。并且，过度清除ROS可能破坏组织重塑所必需的生理性氧化还原信号通路，从而阻碍血管生成和再上皮化等过程。

3.4. 外源性物理信号增强的空间调控

外源性物理刺激（如温度、电场或磁场）提供了优异的空间和时间可控性，使其非常适用于开发具有增强可调性的智能响应敷料。壳聚糖可与PNIPAM等热敏聚合物结合形成温敏水凝胶，在接近人体温度时发生体积变化，利于药物释放或孔结构调节。此外，载有聚六亚甲基双胍（PHMB）的壳聚糖显示出作为治疗复杂细菌伤口感染和海水暴露伤口的多功能敷料的巨大潜力。通过将壳聚糖与PNIPAM共交联，可以构建对温度和pH均响应的水凝胶。在感染的体内模型中，7天内观察到95.75%的伤口愈合率，并伴有炎症和抗菌功效的显著改善。此外，将磁性纳米粒子（如Fe₃O₄）掺入壳聚糖基质有助于开发基于电磁场的远程激活平台。在全层小鼠皮肤伤口模型中，壳聚糖和磁性Fe₃O₄复合材料通过减小伤口尺寸、促进胶原分布和增强血管生成显著加速愈合。壳聚糖水凝胶/SF/CN的原位磁化与Fe₃O₄磁性纳米粒子（MNP）为药物输送、伤口愈合和组织工程的进步铺平了道路。此外，近红外光与壳聚糖内的可逆动态键协同作用，有效抑制细菌生长和破坏生物膜。动态自修复机制保持了粘附性并利于二次给药，同时促进血管生成和免疫调节。暴露于近红外激光的自愈合壳聚糖水凝胶敷料能有效抑制细菌生长并促进血管生成，加速从炎症向愈合的转变。壳聚糖水凝胶在消除感染伤口部位的细菌存在和增强血管生成方面表现出巨大能力。这种多模式物理响应策略为开发具有外部可控特性的伤口敷料引入了创新方法，从而拓宽了其在精准治疗和智能调控中的适用性。然而，为提高临床适用性，必须明确各种物理触发方法的能量需求和供电机制。基于PNIPAM的热敏系统响应体温激活，几乎不需要能量消耗，因此对门诊和长期家庭护理应用有利。相比之下，近红外光热和电刺激方法可由低能耗可穿戴设备供电，理想情况下采用闭环温度控制和定时系统，以确保皮肤表面温度保持在安全限度内。虽然静态磁触发也表现出低能耗，但其功能有限，限制了其适用于短期院内治疗。

4. 壳聚糖材料介导的伤口再生机制

壳聚糖材料在感染控制方面具有内在优势，并通过多种机制（如抗氧化活性、促进血管生成、胶原重塑和免疫调节）促进伤口愈合。这些多方面的再生特性为全面干预慢性和难愈伤口提供了基础，从而为开发协调局部调节与系统再生的先进治疗系统奠定了理论和实践基础。

4.1. 多因素协同增强抗菌广谱效应

感染控制是高级伤口敷料的基本功能。壳聚糖作为一种天然阳离子多糖，具有固有的抗菌特性。然而，其单一机制在复杂的伤口微环境中常常显得不足。为增强广谱功效和耐久性，多因素协同策略已成为一种有前景的优化方法。研究表明，壳聚糖与ε-聚赖氨酸（ε-PL）的共价接枝或复合可以增强对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的膜破坏作用。此外，掺入Zn²⁺和Cu²⁺等金属离子可通过离子通道干扰、ROS生成和代谢抑制等机制促进多靶点杀菌效应。这种方法对治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）等耐药菌特别有效。此外，协同加入酚类、抗菌肽和金属有机框架（MOFs）等功能成分可以促进pH、酶或ROS响应释放机制的开发，从而实现按需释放和靶向抗菌活性。光调节一氧化氮输送水凝胶可分散/抑制生物膜并促进慢性伤口愈合。这种协同作用增强了抗菌有效性并减少了耐药性，为治疗复杂伤口提供了新途径。未来的研究应旨在将智能释放系统与生物信号响应相结合，以同时增强抗菌效果、免疫调节和组织修复。

4.2. 血管生成调节加速缺血性伤口修复

壳聚糖复合物在促进血管生成和加速缺血性伤口修复方面表现出巨大潜力。研究表明，通过掺入血管内皮生长因子（VEGF）或外泌体，壳聚糖基水凝胶可有效激活HIF-1α/VEGF信号通路，促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的迁移和管腔形成，并加速新生血管形成。将壳聚糖与透明质酸、胶原蛋白或纤维蛋白整合的高级支架表现出对伤口微环境的协同调节，显著促进新生血管和基质重塑，从而加速糖尿病和缺血性伤口的修复。一些研究将干细胞来源的外泌体与多酚/金属因子结合，通过靶向抗炎、抗氧化和促血管生成途径增强其在复杂慢性伤口中的应用。值得注意的是，负载外泌体的羧甲基壳聚糖基自愈合水凝胶能够形成基于可逆希夫碱的自愈合水凝胶，显著增强糖尿病小鼠模型的伤口愈合。此外，壳聚糖基敷料具有破坏生物膜的能力。当与光热疗法结合时，壳聚糖水凝胶显示出根除耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和生物膜的显著能力，同时促进血管生成和胶原沉积。壳聚糖纳米水凝胶通过有效去除生物膜、抑制细菌增殖和促进巨噬细胞极化来增强糖尿病伤口的愈合。总之，壳聚糖复合物为开发可修饰的多功能促血管生成材料提供了有力支持，为临床缺血性伤口修复和再生医学开辟了新途径。

4.3. 胶原合成与基质重建促进组织重塑

壳聚糖复合物在增强胶原合成和基质重建方面表现出显著益处，使其成为组织重塑和伤口修复的关键功能材料。由于其优异的生物相容性和可降解性，水凝胶系统通过调节TGF-β、MAPK和PI3K/AKT等信号通路促进成纤维细胞增殖和III型胶原向I型胶原的转化，有效重建细胞外基质，抑制过度纤维化，并减少瘢痕疙瘩形成。此外，壳聚糖-肽修饰水凝胶在促进血管生成和减轻炎症方面有效，从而加速皮肤组织再生。此外，壳聚糖及其复合系统可以调节氧化应激和炎症因子的表达，降低基质金属蛋白酶（MMP）活性，减缓胶原降解，并增强组织稳定性。与胶原蛋白构建的三维支架支持上皮再生和毛囊重建，显著改善慢性伤口的微环境。因此，多功能壳聚糖复合系统在调节胶原合成、促进组织重塑和管理复杂创伤状况方面显示出巨大的应用潜力。该系统为开发用于高质量伤口修复的先进材料奠定了坚实基础。

4.4. 微环境机械传感指导细胞命运

细胞对其周围环境的机械特性高度敏感，基质刚度显著影响粘附、迁移、增殖和分化。壳聚糖基材料显示出机械调节的巨大潜力，其网络密度和交联构型允许精确控制材料的弹性模量。研究表明，调节壳聚糖水凝胶的刚度可以激活机械敏感通路，包括YAP/TAZ，从而促进成纤维细胞、角质形成细胞和干细胞向再生表型转化。热响应和光热复合水凝胶与抗生素协同作用，在近红外光照射下增强抗菌功效，从而允许减少抗生素剂量和改善微环境条件。此外，布里渊光学成像与空间转录组学相结合，能够将材料刚度梯度与细胞命运表达精确对齐，从而阐明结构、信号和功能之间的耦合机制。例如，布里渊显微镜有助于对水凝胶和组织内粘弹性和表观模量进行无标记、非接触式三维映射，达到亚细胞分辨率。该技术能够量化支架微环境中的机械梯度，使其与调节细胞机械响应（如YAP/TAZ）的转录程序在空间上对齐。这种可编程的机械平台为多阶段伤口修复提供了动态适应策略，使其特别适用于解决伤口中的微环境异常，如慢性溃疡和糖尿病足溃疡。它为开发个体化和精确的伤口治疗方法奠定了理论和技术基础。

5. 复杂伤口中的智能壳聚糖敷料

复杂伤口通常涉及各种病理问题，如高度炎症、感染、缺乏血流和组织损伤，这常常使单功能敷料显得不足。近年来，壳聚糖基智能敷料通过提供代谢干预、精确响应和组织再生指导，已广泛应用于糖尿病足、烧伤和压力性溃疡等临床情况。

5.1. 代谢干预与免疫重塑改善糖尿病慢性伤口

慢性糖尿病伤口常与局部高血糖、缺氧、乳酸积累和免疫功能障碍相关，导致愈合过程受损。壳聚糖基敷料由于其固有的生物活性，有可能通过调节乳酸和葡萄糖等代谢物的释放模式来调节异常能量代谢。壳聚糖的阳离子性质有助于将巨噬细胞从M1表型转化为M2表型，从而抑制慢性炎症并激活组织再生通路。研究表明，壳聚糖水凝胶与多酚、Zn²⁺离子结合可以增强抗氧化和免疫功能，加速愈合，并支持糖尿病小鼠的新血管和组织形成。这种方法通过对代谢和免疫通路的双重干预，为复杂伤口（如糖尿病足溃疡）提供了通用且安全的生物治疗解决方案。

5.2. 感染伤口的响应性释放与耐药干预

感染伤口具有微酸性环境、酶过度表达和ROS积累的特点，是开发对这些条件响应的精准输送系统的理想场所。壳聚糖与pH敏感、酶敏感或氧化敏感部分的结合，能够在感染部位实现抗菌剂（包括ε-聚赖氨酸、金属离子和抗菌肽）的靶向和“按需”释放。这种靶向释放能有效根除病原菌和破坏生物膜屏障。此外，壳聚糖独特的阳离子结构可与带负电荷的细菌膜相互作用，从而提高物理灭菌效率。实证研究表明，这些材料对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐药铜绿假单胞菌和其他细菌模型具有显著的抗菌功效。此外，它们同时减少对抗生素的依赖并减轻导致耐药性的选择压力。此外，通过控制抗菌剂的释放速率和局部浓度，可以实现低毒性和高度靶向的抗感染治疗。该方法为复杂感染伤口的管理提供了精确干预的创新策略。

5.3. 干细胞输送与组织引导改善深度烧伤和组织缺损

严重烧伤和组织缺损常导致真皮破坏和基底结构丧失，迫切需要推进多层次组织重建。壳聚糖由于其生物相容性和可修饰性，常被用于开发可注射支架或细胞输送载体。通过与明胶和海藻酸钠共聚创建三维多孔结构，壳聚糖有助于维持干细胞活性并诱导其分化为成纤维细胞或内皮细胞。研究探讨了壳聚糖与VEGF和bFGF等调节因子联合递送以显著促进血管化和提高新组织修复质量。在深度烧伤和皮肤替代模型中，壳聚糖基敷料已被证明可增强肉芽组织形成、胶原沉积和神经再生。这些发现突出了其有利的组织引导特性，并强调了它们作为组织工程疗法关键支持的潜力。

5.4. 压力性溃疡的智能贴合与湿度动态调节

压力性溃疡发生在长期承受局部压力的区域，导致循环受损和湿度波动，常引起皮肤破损和继发感染。壳聚糖可与形状记忆聚合物、温敏材料或水凝胶整合，形成一种能够自主调节贴合度和湿度调节的敷料系统。该系统在低温下是液体且可注射，在体温下迅速凝胶化，形成确保“无缝贴合”的柔软界面。此外，其吸收和去除水分的能力有助于维持最佳伤口水合作用并防止渗出液积聚。系统中集成了传感器模块，能够实时监测局部压力和湿度变化，从而触发自动药物释放或警报。壳聚糖基智能敷料在动物模型中显著减少了压力性溃疡和坏死组织，显示出在治疗和预防方面的前景。

6. 未来趋势与挑战

近年来，壳聚糖基智能响应伤口敷料在组织工程和再生医学领域引起了广泛关注。通过化学修饰或复合构建，这些敷料可响应多种内源性信号（如pH、酶、ROS）以及外源性信号（包括温度和电磁场）。这种响应能力便于识别伤口状态并实现靶向干预。此外，壳聚糖卓越的生物相容性、生物可降解性和安全来源使其成为开发多功能载体系统的理想候选者。这些系统能够引发一系列生物效应，包括抗菌活性、促血管生成特性、免疫调节以及促进胶原重建。在复杂愈合场景中，如糖尿病足、慢性溃疡和感染伤口，智能壳聚糖敷料已显示出巨大的治疗潜力。它们正逐步从单一功能向结合诊断和治疗的综合方法演变。

尽管壳聚糖基智能敷料在伤口修复中显示出众多优势，但其临床应用仍面临若干挑战。首先，原材料来源和纯化过程的可变性导致批间稳定性差，从而影响材料的重现性和可控性。其次，智能响应机制通常依赖于微环境中特定触发因素（pH、酶、ROS）的变化。然而，病理伤口中显著的信号波动和空间异质性可能导致响应延迟或释放不精确。此外，响应pH、ROS和酶活性的多因素协同系统在复杂的体内环境中易受干扰。这需要在设计复杂性和结构稳定性之间谨慎平衡。当前大多数研究仍处于动物实验阶段，缺乏全面的人体安全性评估和长期跟踪数据，这给满足临床监管标准带来了挑战。抗菌耐受、血管重建和神经再生的综合调控机制仍未得到充分理解，阻碍了材料功能从“辅助治疗”范式向“主动干预”范式的转变。因此，必须在基本机制、材料标准化和临床评估方面取得系统性进展，以促进其临床应用。

壳聚糖基智能敷料的未来进展应优先考虑提高响应精度、改善生物整合度和增加临床可转化性。在智能设计方面，必须纳入动态共价键调节、机械适应性结构和多模式触发系统，以实现精确的时空干预以及伤口微环境的连续反馈调节。从功能构建的角度来看，建议开发一个整合抗菌特性、促血管生成、免疫调节和组织诱导的综合干预系统，以满足复杂伤口的动态修复需求。同时，利用新兴的多组学技术和生物信息学工具对于分析各种病理模型中细胞、材料和微环境之间的三维相互作用至关重要，从而为材料功能的迭代增强提供理论支持。在材料采购方面，必须倡导环境可持续、高纯度和高一致性的制备工艺，以开发标准化的原材料系统。在临床转化层面，迫切需要通过跨学科合作建立一个涵盖体外、体内和临床阶段的多层次评估框架。此外，整合智能监测和远程医疗模块对于实现精准治疗和个性化干预至关重要。总体而言，壳聚糖基智能敷料在伤口管理中具有巨大潜力，并有望成为未来组织修复材料系统的关键组成部分。

7. 结论

智能响应性壳聚糖敷料代表了伤口护理领域的重大进步，从被动覆盖转向适应性生物活性平台。这些敷料具有可调结构和固有生物相容性，能够精确响应pH、酶、ROS和外部刺激。这种能力促进了感染控制、血管生成、免疫调节和基质重塑，从而满足了慢性和复杂伤口的需求。尽管取得了这些进展，一些挑战仍然存在，包括原材料质量的可变性、在异质微环境中响应精度有限以及缺乏有效桥接临床前和临床研究的标准化评估系统。克服这些挑战需要优化的功能化策略、增强的材料一致性和强大的验证流程（涵盖体外、体内和临床背景）。未来的研究应优先考虑动态共价化学、多模式响应网络和生物信号引导释放系统的整合，同时强调原材料采购的可持续性。随着持续的进展，壳聚糖基智能敷料有望发展成为临床可行且工业可扩展的解决方案，为精准伤口管理提供一个多功能平台。