多功能GelMA@PEI-PDA水凝胶：通过调控炎症微环境与促进血管新生加速糖尿病伤口愈合

本研究针对糖尿病足溃疡(DFU)存在的慢性炎症、氧化应激、细菌感染及血管生成受损等难题，开发了一种基于明胶甲基丙烯酰胺(GelMA)、聚乙烯亚胺(PEI)和聚多巴胺(PDA)的多功能水凝胶敷料。该水凝胶通过一锅法原位共组装技术构建，兼具抗菌、抗氧化、抗炎、自愈合和组织黏附特性。实验表明，该材料能有效清除活性氧(ROS)、调控巨噬细胞极化、促进血管生成和胶原重塑，显著加速MRSA感染糖尿病小鼠模型的全层皮肤再生，为糖尿病慢性伤口治疗提供了新型策略。

　　

糖尿病足溃疡（Diabetic Foot Ulcer, DFU）作为糖尿病最严重的并发症之一，正成为全球医疗卫生系统的重大挑战。由于高血糖环境导致的持续性慢性炎症、氧化应激反应、炎症因子水平升高、血管生成受损以及细菌感染等因素，糖尿病伤口的愈合过程往往停滞在炎症阶段，陷入感染-炎症-组织破坏的恶性循环。传统治疗策略主要集中于伤口闭合，却未能从根本上解决糖尿病伤口的病理生理学问题，这使得开发能够同时促进伤口闭合并调节伤口微环境的先进敷料成为当务之急。

在这一背景下，研究人员开发了一种创新型多功能水凝胶敷料，该研究发表在《Materials Science in Semiconductor Processing》期刊上。这种水凝胶通过聚多巴胺-聚乙烯亚胺（PDA-PEI）混合涂层与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）的复合物共聚而成，采用一锅法原位共组装策略，避免了复杂的纳米粒子合成和多步封装过程，为临床转化提供了更简便的途径。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先通过核磁共振（¹H NMR）和紫外-可见光谱（UV-vis）对材料进行结构表征；利用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶的微观结构；通过流变学测试评估机械性能；采用体外细胞实验（包括CCK-8法和Edu assay）评估生物相容性；使用DPPH法和流式细胞术检测抗氧化能力；通过细菌培养和扫描电镜分析抗菌性能；并建立MRSA感染的糖尿病小鼠模型进行体内疗效评价。

3.1. GelMA@PEI-PDA合成与结构表征

研究人员成功将甲基丙烯酸基团接枝到明胶上制备GelMA，并通过¹H NMR证实了20%的取代度。PEI与DA在弱碱性条件下发生席夫碱反应和/或迈克尔加成，形成PEI-PDA复合物。SEM显示随着PEI-PDA的加入，水凝胶孔隙结构变得更加致密，增强了保水能力。该水凝胶表现出优异的机械性能（220%断裂伸长率）和自愈合能力，这归因于PEI氨基与氧化PDA醛基之间的动态共价键、π-π堆积和氢键等相互作用。

3.2. GelMA@PEI-PDA的生物相容性

细胞毒性实验表明，水凝胶条件培养基处理24、48和72小时后，L929细胞存活率均超过80%，HaCaT和HUVEC细胞也呈现类似结果。EdU检测显示各组间EdU阳性细胞比例无显著差异。溶血率测试表明所有水凝胶的溶血率均低于5%，符合生物材料安全性标准。

3.3. GelMA@PEI-PDA清除ROS

DPPH自由基清除实验显示GelMA@PDA和GelMA@PEI-PDA分别消除了85.99%和81.14%的DPPH。流式细胞术检测表明，经H₂O₂诱导的氧化应激环境中，GelMA@PEI-PDA处理使L929细胞ROS水平从46.16%降至35.11%。划痕实验进一步证实该水凝胶能缓解氧化应激对细胞迁移的抑制作用。

3.4. GelMA@PEI-PDA的抗菌活性

水凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和MRSA均表现出浓度依赖性的抗菌作用，其中对MRSA的抑制作用尤为显著。SEM观察发现经水凝胶处理6小时后，MRSA出现细胞壁断裂等形态学改变，证实其通过破坏细菌膜完整性发挥抗菌作用。

3.5. 糖尿病伤口愈合评估

在MRSA感染的糖尿病C57BL/6小鼠全层皮肤缺损模型中，GelMA@PEI-PDA组在第3天即表现出感染控制迹象，第14天伤口几乎完全闭合，第18天仅残留瘢痕组织。H&E染色显示治疗组早期即出现再上皮化，炎症减轻，并再生出毛囊、皮脂腺和汗管等皮肤结构。

3.6. GelMA@PEI-PDA促进糖尿病伤口炎症消退

免疫荧光分析发现，第7天时GelMA@PEI-PDA组CD206阳性M2a巨噬细胞数量最多，到第14天则转变为CD163阳性M2c巨噬细胞占主导。这种巨噬细胞表型的时序性转变表明该水凝胶能促进炎症向组织再生阶段过渡。

3.7. GelMA@PEI-PDA促进糖尿病伤口组织再生

CD31和α-SMA免疫荧光染色显示，水凝胶治疗组血管生成标志物表达显著增强。从第7天到第14天，CD31表达下降而α-SMA表达上升，反映了血管网络从生成到成熟的正常重塑过程。

3.8. GelMA@PEI-PDA促进胶原沉积

Masson染色显示GelMA@PEI-PDA组胶原密度最高，且到第14天时胶原排列趋于规则，表明该水凝胶能显著促进胶原沉积和重塑。

研究结论与讨论部分指出，GelMA@PEI-PDA水凝胶通过其多功能特性实现了对糖尿病伤口微环境的综合调控。其抗菌性能主要源于PEI的阳离子特性破坏细菌膜完整性；抗氧化性能则来自PDA的酚羟基、醌和儿茶酚基团的氧化还原循环；自愈合和组织黏附能力则得益于动态共价和非共价相互作用。该水凝胶能时序性地调控巨噬细胞极化，促进血管生成和成熟，加速胶原沉积和重塑，最终实现糖尿病感染伤口的有效愈合。

然而，研究也存在一定局限性。小鼠皮肤伤口模型无法完全模拟糖尿病足溃疡的复杂病理特征，如长期缺血、神经病变和多微生物定植。缺乏与临床常用敷料的直接比较也限制了对其转化竞争力的评估。未来研究需要在更先进的大型动物或临床前模型中探索其安全性、有效性和临床适用性，并研究最佳给药策略和长期治疗效果以支持其临床转化。

这项研究为糖尿病慢性伤口治疗提供了新型治疗策略，通过多功能水凝胶敷料综合调控伤口微环境，突破了传统治疗仅关注伤口闭合的局限，具有重要的临床转化价值和广阔的应用前景。