《Biomaterials》：Intelligent drug delivery-wound healing integrated hydrogel dressing for Type 2 Diabetes Mellitus wounds with wound microenvironment modulation
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糖尿病创面愈合加速与智能水凝胶调控微环境机制研究。该水凝胶通过pH/ROS双响应系统动态释放sitagliptin（抑制高血糖）和nimesulide（抗炎），协同改善糖尿病伤口的糖代谢紊乱、氧化应激和炎症反应，促进血管生成（CD31表达增加315.3%）和胶原沉积。动物实验显示7天闭合率80.2%，14天达96.3%，显著优于对照组。
桥立鹏|陈珏颖|梁永平|黄颖|李萌|杨宇彤|郭宝林
西安交通大学前沿科学技术研究院及材料力学行为国家重点实验室，中国西安710049
摘要
糖尿病伤口是糖尿病患者的主要并发症，高糖和高活性氧（ROS）的微环境导致伤口愈合缓慢且感染风险高。为有效解决这些问题，迫切需要能够动态响应伤口床内变化条件的先进伤口护理方案。在本研究中，我们开发了一种智能、响应性的水凝胶敷料，旨在调节伤口微环境以促进糖尿病伤口愈合。该水凝胶能够响应性地释放调节血糖的药物（西格列汀（Sit）；根据炎症情况，按需释放抗炎药物尼美舒利（Nim）。因此，它改善了糖尿病伤口的微环境，显著加速了伤口愈合。该水凝胶由羧甲基壳聚糖（CMC）、氧化透明质酸甲基丙烯酸酯（OHM）、1-丁基-3-乙烯基咪唑溴化物（IL）、西格列汀（Sit）以及甲氧基聚乙二醇-硫酮缩酮-聚（ε-己内酯）@尼美舒利（GKL@Nim (GN)）胶束组成，这些成分在ROS的作用下释放抗炎药物，形成了一种Schiff碱/双键双重网络的智能水凝胶。该水凝胶在响应性药物释放、体外炎症调节、离子导电性、膨胀性、生物降解性和自愈能力方面表现出优异性能。在使用2型糖尿病（T2DM）小鼠模型的全层皮肤缺损伤口愈合实验中，水凝胶组表现出显著的治疗效果，第7天伤口闭合率为80.2%，明显优于Tegaderm?薄膜组（24.2%）；到第14天，水凝胶组的伤口闭合率达到96.3%。组织学评估证实，水凝胶显著增强了血管生成和胶原蛋白沉积。免疫组化分析证实，水凝胶显著降低了IL-6水平（25.7%）并增加了CD31表达（315.3%）。总体而言，这种智能水凝胶敷料在糖尿病伤口治疗方面具有巨大潜力。
引言
糖尿病是一种全球性的慢性疾病，截至2024年，影响了超过5.89亿成年人，其中90%以上为2型糖尿病（T2DM）[1]。糖尿病患者由于血管、神经病变和高血糖的变化，极易发生伤口感染和长期炎症，从而导致伤口愈合延迟和慢性伤口[2]、[3]、[4]、[5]。传统敷料往往无法应对这些挑战，这凸显了需要能够积极改善糖尿病伤口微环境的先进敷料[6]。
水凝胶凭借其亲水三维网络，具有优异的生物相容性和药物负载能力[7]、[8]、[9]、[10]。然而，现有的抗炎药物负载水凝胶仍存在释放控制不佳、细胞毒性以及无法完全重塑病理微环境的问题[6]、[11]。此外，在高血糖条件下细菌感染进一步复杂化了伤口愈合过程[3]、[4]、[12]。因此，迫切需要一种能够响应性释放药物以对抗高血糖、炎症和感染的智能水凝胶敷料。
在糖尿病伤口中，高血糖会扰乱葡萄糖代谢，导致羟基自由基积累，引发氧化应激，造成组织损伤和微血管/神经病变[13]、[14]、[15]、[16]。同时，高血糖会损害白细胞功能并减少免疫蛋白的合成，削弱宿主防御能力，延缓愈合[17]、[18]。二肽基肽酶-4（DPP-4）抑制剂（如西格列汀（Sit））通过保护胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的活性来对抗高血糖[17]、[18]。此外，西格列汀还能促进巨噬细胞从M1表型向M2表型极化，减少炎症。其伯胺基团可通过Schiff碱键与含醛聚合物结合，提高稳定性和药物负载能力。酸性的伤口微环境会触发Schiff碱断裂，实现pH响应性的药物释放[19]。
过度的炎症，主要是由巨噬细胞极化受损引起的，会严重延缓糖尿病伤口愈合[20]、[21]、[22]。高血糖和感染会抑制M1向M2的转变，导致M1巨噬细胞积聚和富含ROS、蛋白酶及细胞损伤的促炎环境[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。尼美舒利（Nim）是一种生物相容性的非甾体抗炎药（NSAID），能有效抑制这种病理炎症[30]。然而，其疏水性导致在传统水凝胶中的负载效果不佳且释放不均匀。为克服这一问题，采用了响应ROS的聚合物胶束甲氧基聚乙二醇-硫酮缩酮-聚（ε-己内酯）（PEG-TK-PCL）：其两亲性核壳结构通过疏水封装增强了尼美舒利的负载能力[31]，而嵌入的硫酮缩酮（TK）连接剂在正常条件下实现智能释放，在高ROS（糖尿病伤口的特征）下快速断裂[32]。这确保了在炎症高峰时精确地按需释放尼美舒利：胶束在ROS丰富的区域分解以抑制M1活性并促进愈合，同时在健康组织中保持完整以避免脱靶毒性。这种时空控制不仅增强了抗炎效果，还减少了全身副作用，使其成为慢性伤口治疗的理想选择。
离子液体（ILs）相比抗生素具有更持久的抗菌效果，并且耐药性发展较低[33]；其离子导电性增强了内源性生物电场，促进了成纤维细胞迁移，改善了细胞粘附并加速了伤口愈合[34]、[35]。然而，IL的渗漏严重限制了实际应用。Wang等人通过将乙烯基功能化的IL（1-丁基-3-乙烯基咪唑溴化物）通过自由基聚合共价结合到水凝胶中，消除了渗漏问题，并通过调节IL浓度实现了精确的机械性能调控[36]。这一策略同时确保了持续的抗菌作用和可调的水凝胶力学性能，从而实现最佳的伤口管理。透明质酸（HA）作为关键的细胞外基质成分，通过促进细胞迁移、血管生成和炎症消退来加速伤口愈合[37]。然而，HA缺乏可交联基团。氧化或氨基功能化（例如OHA）可以在不失去生物活性的情况下实现交联。虽然Schiff碱水凝胶（例如氨基化透明质酸（NHA）/醛β-环糊精ACD）[38]具有生物相容性，但机械强度较弱且降解较快。相反，双键交联水凝胶虽然具有较好的机械强度，但缺乏自愈能力。一种结合动态（Schiff碱）和永久（双键）键的双网络策略，平衡了机械强度、可控降解和自修复能力，实现了长期伤口覆盖。
在本研究中，开发了一种pH/ROS响应性的智能水凝胶，通过智能、微环境触发的药物释放来改善恶劣的糖尿病伤口环境，促进愈合。这种双网络水凝胶通过整合pH响应性的西格列汀释放、ROS触发的尼美舒利胶束和共价锚定的离子液体，协同调节T2DM伤口的高血糖、促炎和易感染微环境，表现出优于单一功能水凝胶的愈合效果，并具有优异的生物相容性和可控的降解性。这种创新敷料采用氧化双键透明质酸（OHM）和羧甲基壳聚糖（CMC）基质制成，通过Schiff碱网络相互连接。一个关键特点是策略性地将药物西格列汀通过Schiff碱键结合到水凝胶基质中，使其在糖尿病伤口典型的酸性环境中实现pH响应性释放。此外，该敷料还负载了响应ROS的甲氧基聚乙二醇-硫酮缩酮-聚（ε-己内酯）@尼美舒利（GKL@Nim (GN)）胶束，这些胶束均匀分散在水凝胶中。这些胶束被编程为响应糖尿病伤口中高水平的ROS，触发尼美舒利的释放，从而减轻炎症，为组织再生创造有利环境。此外，水凝胶还通过自由基聚合过程与1-丁基-3-乙烯基咪唑溴化物（IL）进一步交联。对改性聚合物和ROS响应性胶束进行了系统表征，并全面评估了pH/ROS响应性水凝胶敷料在刺激触发药物释放、巨噬细胞极化调节、生物相容性、自愈性能和电导率方面的性能。在2型糖尿病小鼠模型的全层皮肤缺损实验中，其显著促进了伤口愈合。总之，这项研究开创了一种复杂的多功能智能水凝胶敷料，通过智能治疗干预有效应对糖尿病伤口环境的复杂挑战。
结果与讨论
在这项研究中，我们旨在开发一种用于治疗慢性糖尿病伤口的智能水凝胶敷料，利用pH和ROS响应机制来释放降糖和抗炎药物。为了制备能够响应ROS的胶束，我们采用三步法合成了含有聚乙二醇-硫酮缩酮-聚己内酯（PEG-TK-PCL, GKL）的两亲性三嵌段聚合物（如图1所示）。中间体和GKL胶束的成功合成得到了验证
结论
在这项研究中，成功制备了一种pH/ROS响应性的智能水凝胶CMC/OHM-Sit/IL25/GN，它能够智能调节尼美舒利（Nim）和西格列汀（Sit）的释放，以响应糖尿病微环境，从而改善糖尿病伤口的恶劣环境，促进伤口愈合。CMC/OHM-Sit/IL25/GN水凝胶表现出良好的离子导电性、膨胀性能、生物降解性和自愈性能。在动物实验中，该水凝胶
材料
透明质酸（HA）、N, N'-二环己基碳二亚胺（DCC）和苯甲醇（Bn）购自Meryer。西格列汀、过硫酸铵（APS）、N, N, N', N'-四甲基乙二胺（TEMED）、尼美舒利、3-巯基丙酸、三氟乙酸、N, N-二异丙基乙胺和丙酮购自J&K。甲基丙烯酸酐购自TCI。二氯甲烷、N, N-二甲基亚胺（DMF）、4-二甲基氨基吡啶（DMAP）、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺购自其他供应商。
CRediT作者贡献声明
李萌：软件开发、数据管理。
郭宝林：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、正式分析。
梁永平：可视化处理、软件应用、项目管理、正式分析。
黄颖：验证工作、软件使用、正式分析。
陈珏颖：初稿撰写、验证、方法设计、数据管理。
桥立鹏：初稿撰写、可视化处理、方法设计、实验研究、正式分析、数据管理。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52273149、52573176）以及世界一流大学（学科）和中央高校特色发展指导基金的支持。我们还要感谢西安交通大学仪器分析中心在TEM、1H NMR和FT-IR分析方面的协助。
