基于GelMA@PEI-PDA多功能水凝胶的糖尿病创面微环境调控与再生修复研究

本研究针对糖尿病足溃疡(DFU)存在的慢性炎症微环境、氧化应激、细菌感染及血管生成受损等难题，开发了一种通过聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物(GelMA@PEI-PDA)构建的多功能水凝胶敷料。该水凝胶具有优异的抗菌、抗氧化、抗炎特性，能有效调控巨噬细胞极化、促进血管生成和胶原重塑，显著加速MRSA感染糖尿病创面的愈合过程，为DFU治疗提供了创新性解决方案。

　　

糖尿病足溃疡(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。由于持续存在的慢性炎症创伤微环境、氧化应激、炎症因子水平升高、血管生成受损和细菌感染等因素，DFU的治疗仍然面临巨大困难。更为棘手的是，当前的治疗策略主要侧重于伤口闭合，而非解决糖尿病创面的潜在病理生理学问题。这种治疗局限使得DFU患者常常面临截肢风险，迫切需要能够同时促进伤口闭合并调节伤口微环境的新型治疗手段。

在这一背景下，国际学术期刊《Materials Science and Engineering: B》发表了一项创新性研究，科学家们开发了一种基于明胶甲基丙烯酰基(GelMA)与聚多巴胺-聚乙烯亚胺(PDA-PEI)复合物的多功能水凝胶敷料，为DFU治疗提供了新的解决方案。

研究人员采用一体化原位共组装策略，通过将PEI-PDA复合物与GelMA共聚构建水凝胶体系。该研究运用了核磁共振氢谱(¹H NMR)和紫外-可见光谱(UV-vis)进行材料表征，通过扫描电子显微镜(SEM)观察微观结构，采用流变学分析评估机械性能，并通过体外细胞实验和动物模型验证生物学功能。研究建立了MRSA感染的糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型，使用组织学染色(H&E、Masson)、免疫荧光染色(CD206、CD163、CD31、α-SMA)等技术手段评估治疗效果。

3.1. GelMA@PEI-PDA合成与结构表征

通过¹H NMR证实成功将甲基丙烯酸基团接枝到明胶上，取代度为20%。UV-vis光谱显示在280nm和300nm处的吸收峰随时间逐渐增强，表明DA自聚合及其与PEI共聚过程中各种中间体的存在。FTIR光谱在1656cm^-1处出现新吸收峰，证实PEI与DA之间形成C=N键。SEM显示随着PEI-PDA的加入，GelMA水凝胶孔隙逐渐致密化，这种更紧密的结构增强了水凝胶的保水能力。

3.2. GelMA@PEI-PDA的生物相容性

研究发现该水凝胶对小鼠成纤维细胞(L929)、人角质形成细胞(HaCaT)和人脐静脉内皮细胞(HUVEC)均无显著细胞毒性，细胞活力始终超过80%。EdU检测显示与对照组相比，水凝胶处理组的EdU阳性细胞比例无显著差异。体外溶血活性测试显示所有水凝胶的溶血率均低于5%，符合生物材料诱导溶血的安全阈值。

3.3. GelMA@PEI-PDA清除ROS的能力

DPPH自由基清除实验显示，GelMA@PDA和GelMA@PEI-PDA分别清除了85.99%和81.14%的DPPH。流式细胞术结果显示，经GelMA@PDA和GelMA@PEI-PDA处理后，L929细胞中的ROS水平分别从46.16%降至37.79%和35.11%。划痕实验表明，在H₂O₂处理下，GelMA@PDA和GelMA@PEI-PDA显著增加了细胞迁移。

3.4. GelMA@PEI-PDA的抗菌活性

水凝胶对不同浓度的E.coli、S.aureus和MRSA均表现出剂量依赖性的生长抑制作用。有趣的是，GelMA@PEI-PDA对MRSA的抗菌效果似乎比非耐药菌株更强。SEM观察发现，经GelMA@PEI-PDA水凝胶处理2小时后，细菌表面出现皱缩等形态变化；处理6小时后，注意到细菌细胞壁破裂。

3.5. 糖尿病伤口愈合评估

在MRSA感染的糖尿病C57BL/6小鼠全层伤口模型中，到第3天，对照组出现大量渗出物和感染失控迹象，而GelMA@PEI-PDA组渗出物减少且感染得到控制。到第7天，对照组的炎症开始消退，而水凝胶处理的伤口已显著收缩。到第14天，GelMA@PEI-PDA组的伤口几乎闭合。到第18天，对照组伤口仍有结痂，而GelMA@PEI-PDA组仅残留瘢痕组织。H&E染色显示，第7天时未经治疗的伤口显示强烈的炎症浸润，而GelMA@PEI-PDA处理的伤口显示早期再上皮化和炎症减轻。

3.6. GelMA@PEI-PDA促进糖尿病伤口炎症消退

研究发现，在第7天，GelMA@PEI-PDA组CD206阳性M2a巨噬细胞数量最多。到第14天，这种趋势发生逆转，GelMA@PEI-PDA组显示最低的M2a水平，而对照组最高。相反，在第7天，所有组中CD163阳性M2c巨噬细胞都很稀少。然而，到第14天，GelMA@PEI-PDA组表现出最强的CD163染色。这些结果表明，GelMA@PEI-PDA处理最初增加M2a巨噬细胞水平，随后促进其向M2c巨噬细胞转变，从而促进糖尿病感染伤口从炎症向组织再生的转变。

3.7. GelMA@PEI-PDA促进糖尿病伤口的组织再生

免疫荧光分析显示，GelMA@PEI-PDA组在第7天和第14天均显示最高的CD31和α-SMA阳性。值得注意的是，α-SMA水平到第14天略有增加，表明血管成熟持续进行。CD31的减少和α-SMA的同时增加反映了未成熟毛细血管的修剪和重塑为更有组织的血管网络。

3.8. GelMA@PEI-PDA促进胶原沉积

Masson染色显示，从第7天到第14天，所有组的胶原密度均增加，而GelMA@PEI-PDA水凝胶显示出所有组中最高的胶原密度。到第14天，GelMA@PEI-PDA伤口基本完全闭合，伤口胶原排列趋于规则。因此，GelMA@PEI-PDA水凝胶显著促进胶原沉积和重塑。

该研究成功开发了一种基于GelMA的多功能水凝胶，通过PEI和PDA在水凝胶网络内的原位共组装策略构建。这种一体化方法提供了简单高效的制备方案。该水凝胶整合了抗菌、抗氧化、抗炎、自愈合和组织粘附特性，能够全面调节糖尿病伤口中的慢性炎症微环境。当应用于全层MRSA感染的糖尿病伤口模型时，水凝胶有效减轻炎症，促进血管生成和巨噬细胞极化，显著加速伤口闭合和组织再生。这些结果突显了GelMA@PEI-PDA作为治疗慢性和感染性伤口的高级治疗平台的潜力。

尽管取得了这些令人鼓舞的结果，但该研究仍存在一定局限性。小鼠皮肤伤口模型不能完全模拟糖尿病足溃疡的复杂病理特征，如长期缺血、神经病变和多种微生物定植。此外，缺乏与临床使用伤口敷料的直接比较限制了其转化竞争力的评估。未来研究应在更先进的大动物或临床前模型中探索该水凝胶的安全性、有效性和临床适用性，并研究最佳给药策略和长期治疗结果以支持其临床转化。