具有铈纳米酶和干细胞外泌体的自修复季铵化壳聚糖-苯硼酸水凝胶能够同时清除耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）生物膜，并促进糖尿病伤口的愈合

《Carbohydrate Polymers》：Self-healing quaternized chitosan–phenylboronic hydrogel with ceria nanozymes and stem-cell exosomes simultaneously eradicates MRSA biofilm and regenerates diabetic wounds

糖尿病伤口因MRSA生物膜感染、氧化应激和血管生成障碍难以愈合，本研究开发自愈水凝胶（QCSP@Ceria@Exo）通过三重协同作用实现12天完全愈合并清除生物膜、清除ROS及促进血管再生。

　　

作者：谢芳|姜莱|卢艺文|李莉莉|姜伟|蔡杰

单位：中南医院肝胆疾病研究所、移植中心，武汉大学化学与分子科学学院，湖北天然高分子基医用材料工程中心，中国武汉430072

摘要

糖尿病伤口是一个重大的临床挑战，因为它们容易受到细菌生物膜感染、持续的氧化应激以及组织再生能力受损的影响。目前的治疗方法通常分别针对这些病理因素，这限制了它们实现伤口完全闭合的整体效果。因此，迫切需要能够同时针对多个愈合障碍的综合性平台。在这里，我们展示了一种自愈水凝胶，该水凝胶由季铵化壳聚糖-苯硼酸（QCSP）、氧化铈纳米颗粒（CeNPs）和胚胎干细胞衍生的外泌体（ESC-Exo）组成，能够有效清除耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）生物膜，清除活性氧，并促进糖尿病小鼠的组织再生。QCSP基质具有天然的抗菌活性和可注射的自愈特性，而CeNPs通过可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环发挥催化抗氧化作用。加入ESC-Exo后，进一步增强了血管生成和上皮再生。在MRSA感染的糖尿病伤口模型中，这种多功能水凝胶在12天内实现了近乎完全的伤口闭合，并显著清除了生物膜并沉积了胶原蛋白。这项工作表明，将基于天然高分子的水凝胶与纳米酶和生物活性外泌体结合使用，为管理复杂的慢性伤口提供了一种有前景的策略。

引言

糖尿病伤口是现代医学中最具挑战性的临床问题之一，影响着全球超过8亿成年人，并消耗了大量的医疗资源，但治疗效果有限。（Armstrong等人，2017；Schaper等人，2020；N.R.F.C.（NCD-RisC），2024）与经历有序愈合阶段的急性伤口不同，糖尿病伤口陷入了一种由三个相互关联的故障定义的病理状态：持续的生物膜感染、无法控制的氧化应激和血管生成停滞。（Armstrong等人，2023；Chang & Nguyen，2021；Everett & Mathioudakis，2018）高血糖的伤口环境为细菌定植创造了理想的条件，特别是耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA），这种细菌能够迅速形成对抗生素和宿主免疫系统都具有抵抗力的生物膜。（Bowling等人，2015；Chang & Nguyen，2021）这些被生物膜包裹的细菌群体会产生过量的活性氧（ROS），再加上糖尿病导致的抗氧化防御能力减弱，形成了一个破坏性的氧化微环境。（Chang & Nguyen，2021；Everett & Mathioudakis，2018）这种氧化负担直接损害内皮细胞，抑制新血管形成，并通过NF-κB激活持续引发慢性炎症，阻碍了从炎症期到增生期的关键转变。（Matoori等人，2021；Veith等人，2019） 目前的治疗策略，包括手术清创、抗菌敷料、负压疗法和生物工程皮肤替代品，通常只针对这种复杂病理生理学的孤立方面，这解释了它们临床效果有限的原因。（Huang等人，2023；Wang, Shirzaei Sani等人，2024）虽然抗菌方法可以暂时减少细菌负担，但它们无法穿透生物膜基质或解决潜在的氧化损伤。（Kim等人，2019；Theocharidis等人，2022；Wang, Shirzaei Sani等人，2024）同样，生长因子疗法和基于细胞的治疗方法也无法在恶劣的糖尿病伤口环境中建立有效的再生。（Huang等人，2024；Wang, Qin等人，2024；Zhao等人，2020；Zheng等人，2024）最近在刺激响应性生物材料方面的进展使得更复杂的方法成为可能，包括pH响应性抗菌释放、ROS清除纳米酶和外泌体输送系统。（Fan等人，2025；Gao等人，2024；Le等人，2024；Sun等人，2024；Xie等人，2024）然而，这些单一机制的平台无法打破糖尿病伤口中感染、氧化和愈合能力受损的自我强化循环。迫切需要一个综合性的治疗平台，能够同时清除生物膜、中和氧化应激，并恢复糖尿病伤口微环境中的再生能力。这样的系统必须以协同的方式结合多种治疗模式，每个组分都能针对特定的病理机制，同时支持其他组分的行动。基于我们之前开发的具有增强抗菌选择性和生物相容性的季铵化壳聚糖衍生物（Lu等人，2025；Xie等人，2022；Xu等人，2018），我们认识到设计一种多功能水凝胶的潜力，这种水凝胶既可以作为结构支架，也可以作为协调的治疗输送系统。 在这里，我们介绍了一种可注射的自愈水凝胶（QCSP@Ceria@Exo），它结合了抗菌、抗氧化和再生治疗，全面应对糖尿病伤口的病理问题（图1）。该平台利用季铵化壳聚糖-苯硼酸（QCSP）的化学性质，通过自发的物理凝胶化过程形成动态基质，无需使用化学交联剂，同时提供了临床注射所需的剪切变稀特性。该基质包含了三种协同治疗组分：（i）QCSP固有的广谱抗菌活性，能够破坏浮游细菌和已建立的生物膜；（ii）氧化铈纳米颗粒（CeNPs），通过Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环持续清除活性氧，同时提供额外的杀菌作用；（iii）人类胚胎干细胞衍生的外泌体（ESC-Exo），传递促血管生成和再生的信号。在MRSA感染的糖尿病伤口模型中，这种三组分系统在12天内实现了完全愈合——显著优于临床标准——通过协调清除生物膜、减轻氧化应激、强大的新血管生成和加速组织再生。

化学品和材料

β-壳聚糖是从鱿鱼笔中提取的（中国Golden-Shell Biochemical Co. Ltd.），通过依次用1 M NaOH和0.1 M HCl溶液处理24小时，每次处理后用去离子水洗涤以达到中性pH值。这个纯化过程进行了三次。通过将纯化的β-壳聚糖在80°C下用60 wt% KOH处理90分钟，然后用去离子水洗涤，最后冷冻干燥，获得了脱乙酰度为91%的壳聚糖。 所有分析级化学品均来自商业供应商。

结果与讨论

QCSP水凝胶是通过一种绿色、均匀的方法合成的，该方法使用KOH/尿素溶解系统（图2a）。这种碱性介质通过两种协同机制有效溶解了壳聚糖：KOH促进了强氢键和离子-偶极相互作用，而尿素优先吸附在疏水区域，破坏了壳聚糖链内的和链间的氢键。（Zhong等人，2023）

结论

本研究提出了一种自愈水凝胶平台，该平台结合了季铵化壳聚糖-苯硼酸（QCSP）、氧化铈纳米颗粒和胚胎干细胞衍生的外泌体，以解决糖尿病伤口愈合中的相互关联的病理障碍。QCSP基质通过膜破坏和与细菌胞外多糖的动态硼酸酯相互作用来稳定地发挥抗菌活性，同时具备可注射性和...

CRediT作者贡献声明

谢芳：撰写——原始草稿、方法学、研究、资金获取、数据管理。 姜莱：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据管理。 卢艺文：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据管理。 李莉莉：研究。 姜伟：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、资源管理、项目协调。 蔡杰：撰写——审稿与编辑、可视化分析、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52173105、52473101、52303133）的支持。作者感谢中央高校基本科研业务费（项目编号：2042023kfyq05）的设施支持。