综述：多糖基导电水凝胶的最新进展与展望

本综述系统探讨了多糖基导电水凝胶（CHs）在伤口愈合领域的最新研究进展，重点介绍了其导电机制、材料特性（如自愈合性、粘附性和抗菌性）以及在炎症调控、细胞迁移和瘢痕修复等多阶段的应用潜力，为未来智能伤口敷料的设计提供了重要方向。

　　

多糖基导电水凝胶：从材料设计到伤口愈合应用

引言

创伤在全球死亡原因中占据重要地位。世界卫生组织数据显示，全球每50秒就有一人死于车祸，每2秒就有一人因创伤死亡。因此，促进高效快速的伤口愈合已成为紧迫的公共卫生和安全问题。皮肤虽具有先天再生能力，但不恰当的伤口护理会阻碍这一自然过程。传统止血材料难以应对不同类型伤口和愈合阶段的需求，且移除敷料时易造成二次损伤。

人体完整皮肤具有导电特性，这一特性对各种生命活动至关重要。当皮肤受损时，会产生40-200 mV/mm的内源性伤口电场（EF），立即启动愈合过程。基于电刺激（ES）的电疗法因此在临床中得到应用，特别是在慢性伤口治疗中。ES可通过多种途径加速伤口愈合的各个阶段：减轻电极周围水肿、引导角质形成细胞迁移、增强上皮再生、引导真皮血管生成、调节伤口愈合相关基因以及产生抗菌作用。然而，电疗法需要依赖大型体外ES设备，且需根据伤口性质和状况仔细评估电压、电流、模式和工作时间等参数。其疗效还受限于ES分布不均，原因包括大量体液、不规则伤口形状、渗出液引起的金属电极腐蚀以及伤口的整体状况。

导电水凝胶（CHs）作为软电子学中可拉伸和柔性电极快速发展的产物，代表了智能生物医学设备的重大进步。通过将水凝胶的优势与导电材料的生理和电化学特性相结合，CHs已成为生物医学工程中必不可少的软材料，是电敏感组织再生的理想基质。其三维多孔结构、强亲水性和可调节的理化特性使其成为细胞生长、迁移和增殖的关键基底。CHs具有多功能性，在长期临床组织修复中潜力巨大：它们能将电流均匀分散在伤口上，从而降低高压ES的风险，并且通过合理设计，可发展成为多功能生物电子器件。

然而，传统的导电水凝胶仍面临显著局限性，包括机械脆性（低韧性）、弱界面粘附性、非自愈性和光学不透明性。此外，高生产成本带来的可扩展性挑战，以及某些配方中生物降解性和生物相容性不足，严重限制了它们在伤口愈合中的实际应用。这些未解决的问题凸显了对创新制造策略的需求。在此背景下，生物质衍生水凝胶已成为一种有前景的途径，其中多糖被认为是特别引人注目的候选材料。

多糖作为最丰富的天然聚合物，被广泛用于水凝胶制备。这些由单糖连接而成的大分子具有来源丰富、成本低、生物相容性优异、可生物降解和无毒等优点。由于存在羧基、氨基和羟基，它们可以被修饰以增强其理化特性。多糖的复杂结构允许与其他材料进行物理或化学交联，从而制备出不仅具有可调节机械性能，还具有自愈合能力、粘附性和抗菌功能等额外特性的材料。这些属性很好地符合伤口愈合的要求，从而显著扩大了其应用范围。

尽管多糖基CHs在柔性电子器件中显示出巨大潜力，但它们受限于低电导率。为解决这一问题，已将导电物质（包括导电聚合物、MXene和离子）掺入多糖水凝胶中，从而开发出具有改善电导率的多糖基CHs。随着智能设备技术的进步和应用需求的升级，具有单一功能的多糖基CHs已无法满足现代复杂场景的需求。例如，当用作可穿戴传感器时，自愈合水凝胶可以显著延长其使用寿命；而当用作伤口敷料时，它可以加速伤口愈合过程并有效预防感染。因此，开发集自愈合、粘附和抗菌等功能于一体的多功能多糖基CHs对于满足多样化应用需求至关重要。

内源性电场（EF）在伤口愈合过程中的作用

生物电是指由位于质膜上的离子通道、泵和电突触（间隙连接）产生的内源性电信号。Barker等人利用记录装置精确测量了仓鼠和人类皮肤伤口中10至60 mV的电压，并率先提出了著名的“皮肤电池”理论，该理论自此显著影响了生物电研究领域。

EF在引导细胞迁移过程中起着关键作用，这凸显了电活性支架在优化皮肤组织工程中相较于其他技术的优势。CHs作为一类电活性材料，可有效地用于此目的。这一发现强调了电信号在伤口愈合中的关键作用，并为创新的伤口管理策略奠定了基础。

多糖基CHs的类型与设计策略

作为最丰富的天然聚合物，多糖在动物、植物、微生物和海藻中扮演重要角色。由于其来源丰富、成本低、生物相容性好，且符合可持续发展和环保材料的要求，多糖材料与其他水凝胶材料区分开来。多糖基水凝胶的低成本可归因于三个主要因素：丰富的原材料来源、简单的提取工艺以及温和的交联条件。

常见的多糖基CHs包括基于壳聚糖（CS）、纤维素、淀粉、环糊精、藻酸盐和透明质酸（HA）的水凝胶。每种多糖都赋予水凝胶独特的特性。例如，CS具有固有的抗菌性和生物相容性；纤维素提供优异的机械强度；淀粉和环糊精具有良好的生物可降解性；藻酸盐具有出色的离子交联能力；HA则具有极好的保湿性和细胞相互作用能力。

物理特性：溶胀性、透明度和强度

通过多糖聚合物交联形成亲水性三维（3D）框架，该框架具有强大的机械强度，这得益于其不溶性网络中丰富的交联点。溶胀过程涉及溶剂吸附（主要是水或其他极性液体）通过亲水基团，然后溶剂渗透到交联的3D网络中。

导电机制与性能提升

多糖基CHs的电导率主要通过引入导电成分来实现。这些成分包括导电聚合物（如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy））、碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）、金属纳米颗粒以及新兴的二维材料（如MXene）。此外，离子导电水凝胶利用盐或离子液体来提供导电性，通常具有更好的生物相容性和机械灵活性。

通过将这些导电材料与多糖网络结合，可以制备出既保持多糖生物特性又具有显著电活性的复合水凝胶。例如，将PPy纳入CS网络可以产生具有良好电导率和抗菌活性的水凝胶；将MXene片掺入纤维素水凝胶中可以增强其机械强度和电响应性。

多功能化设计

现代伤口敷料的需求超出了简单的覆盖和保湿。理想的水凝胶应具备多种功能，以主动促进愈合过程。多糖基CHs的多功能化设计包括：

自愈合性：使水凝胶在损伤后能够自主修复，延长其使用寿命，对于可穿戴传感器和长期植入物尤为重要。

粘附性：允许水凝胶牢固地粘附在潮湿和不规则的伤口表面上，确保紧密贴合并持续递送治疗信号（如ES）。

抗菌性：通过整合银纳米颗粒、CS本身的抗菌特性或光热治疗成分，预防感染，这是成功愈合的关键步骤。

刺激响应性：设计对pH、温度或酶等特定刺激作出反应的水凝胶，允许按需释放药物或改变其特性以适应愈合过程的不同阶段。

多糖基CHs在皮肤伤口愈合中的应用

伤口护理产品市场需求的不断增长以及创伤发生率的上升，凸显了对创新伤口管理解决方案的迫切需求。材料科学、微电子学和生物学的跨学科进步促进了新型伤口愈合技术的发展，特别是应用电信号指导细胞增殖和谱系规范。电场是细胞行为的基本调节因子，包括迁移、增殖和分化，这使其成为伤口愈合干预的一个有吸引力的靶点。

多糖基CHs的应用贯穿伤口愈合的多个阶段：

炎症阶段：水凝胶的抗菌特性有助于控制感染并减少炎症。施加ES可以进一步增强抗菌效果并调节免疫反应。

增殖阶段：ES和导电支架共同促进成纤维细胞和角质形成细胞的迁移和增殖，加速肉芽组织形成和再上皮化。

重塑阶段：导电水凝胶可以通过调节转化生长因子-β（TGF-β）等因子来影响胶原蛋白的沉积和组织，从而潜在地减少瘢痕形成。

具体应用形式包括：

智能伤口敷料：能够监测伤口状况（如pH值、温度、渗出物成分）并提供相应治疗（如按需药物释放、电刺激）的敷料。

可植入支架：为细胞生长和组织再生提供导电基质的3D支架，特别适用于全层皮肤缺损。

药物递送系统：利用水凝胶的多孔结构和刺激响应性来控制治疗剂（如生长因子、抗生素）的释放。

结论与展望

本综述详细阐述了用于伤口愈合的多糖基CHs的最新进展，涉及它们的组成特性、导电特性驱动的伤口修复机制、潜在的电传导机制以及广泛的治疗应用。该综述强调了多种天然多糖在水凝胶合成中的效用，其中CS和纤维素与其他天然聚合物材料一起被重点介绍。

尽管前景广阔，但多糖基CHs在伤口愈合中的转化仍面临挑战。未来的研究应侧重于：

提高电导率：同时保持理想的生物相容性和机械性能。

优化机械性能：匹配原生组织的特性，以促进整合并减少不适。

增强生物活性：通过掺入生物活性分子或细胞以进一步促进再生。

推进制造技术：实现可扩展且成本效益高的生产，用于临床转化。

进行全面的体内评估：在相关的疾病模型中严格评估安全性和有效性。

通过应对这些挑战，多糖基导电水凝胶有潜力彻底改变伤口护理实践，为改善患者预后和提升生活质量提供新一代智能和有效的治疗解决方案。