综述：基于生物材料的糖尿病伤口愈合方法

《Results in Engineering》：Biomaterial-Based Approaches for Diabetic Wound Healing

　　

糖尿病伤口由于慢性炎症、细胞反应受损和组织再生效率低下，仍然是一项重大的全球医疗保健挑战。本综述研究了近期关于基于生物材料的糖尿病伤口愈合策略的文献，重点关注脱细胞外基质（decellularized extracellular matrix, dECM）支架以及天然聚合物和生物活性治疗试剂的整合。综述的范围包括糖尿病伤口病理学的生物学基础、当前治疗方法的局限性、细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的结构与功能、脱细胞技术以及猪皮肤作为生物材料的应用。还讨论了纤维素和天然治疗剂在先进伤口敷料中的整合。本文表明，与主要起被动作用的合成敷料不同，基于dECM的支架保留了愈合所必需的天然ECM成分。天然聚合物，如纤维素，特别是来源于可持续木质纤维素资源（如椰子壳）的纤维素，在改善水合作用方面具有巨大潜力。将这种农业副产品升级再造为生物材料，为传统合成聚合物提供了一种可持续、经济高效的替代方案，从而减少环境废物。积雪草（Centella asiatica）表现出与糖尿病伤口愈合相关的抗炎、促血管生成和胶原刺激作用。过去的文献揭示，尽管这些化合物各自有研究结果，但缺乏一种整合了这些成分的复合伤口敷料。因此，本综述强调了超越被动功能性的生物活性复合伤口贴片的必要性。这可以通过整合生物信号传导、结构支撑和治疗递送来实现，为未来专注于设计用于糖尿病伤口管理的多功能生物材料的研究提供方向。

3. 糖尿病伤口
慢性伤口因无法在预期时间框架内完成愈合四阶段而构成重大医疗挑战，其特征是90天内未能实现完全上皮化，或4周后伤口面积未能缩小至原尺寸的一半以上。低氧微环境中抗菌氧依赖性酶的受损为细菌增殖提供了理想环境，坏死组织与富含蛋白质的渗出液积累进一步促进微生物生长和生物膜形成，从而削弱抗菌活性。这些因素导致以细胞外基质（extracellular matrix, ECM）降解为特征的延长炎症期。糖尿病伤口是高血糖暴露和生理修复机制受损的结果，常见于下肢，因停滞于炎症期而难以愈合。高血糖通过氧化、渗透和细胞内信号应激级联反应损害细胞增殖和迁移，并促进晚期糖基化终末产物（advanced glycation end-products, AGEs）的形成，后者与细胞表面受体结合触发有害信号通路。巨噬细胞持续偏向促炎M1表型，通过持续产生肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-6（IL-6）延长炎症，同时中性粒细胞胞外陷阱（neutrophil extracellular traps, NETs）的过度形成加剧组织损伤，阻碍向抗炎M2巨噬细胞表型的正常转换。血管和血管生成障碍包括内皮功能障碍和一氧化氮信号减弱导致微血管调节紊乱，血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）反应性降低限制了血管生成。周围神经病变进一步加剧伤口进展，而基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase, MMP）活性失调破坏了ECM重塑和生长因子产生。氧化应激通过过量活性氧（reactive oxygen species, ROS）导致DNA损伤、内皮和成纤维细胞凋亡及持续炎症信号。这些代谢、炎症、血管和细胞异常共同创造了易感染和生物膜形成的环境，阻碍正常愈合进程。

4. 糖尿病伤口治疗
糖尿病伤口治疗需要多方面策略，包括湿度管理、抗菌性能、炎症控制和组织再生。临床常用的保湿敷料包括水凝胶、水胶体、水纤维和海藻酸盐敷料。现代伤口敷料由天然或合成聚合物及复合材料制成，旨在保护伤口并促进愈合，具体类型有薄膜敷料、泡沫敷料、海绵敷料、水胶体敷料、明胶敷料和海藻酸盐敷料，各有其功能特点。创新治疗方法如基于生物材料的敷料已出现以提升临床效果，近期进展包括整合生物信号与机械功能的多功能敷料。纳米纤维素和静电纺丝纤维通过结构增强和模拟天然ECM加速愈合，混合生物材料支架被研究用于应对慢性伤口的复杂需求。近期研究汇总显示技术向协同、主动治疗转变，如多层水凝胶微球、纳米酶改性水凝胶、导电聚合物整合水凝胶、自组装可降解智能脚手架以及缺陷-free聚丁二酸丁二酯纤维和丝绸纤维蛋白/PHBV纳米纤维敷料。

5. 细胞外基质
细胞外基质（ECM）是无细胞、富含蛋白质的成分，存在于所有人体组织中，通过与周围细胞通信维持皮肤稳态并调节伤口愈合等过程，同时提供结构支撑。其动态性质通过合成和降解持续重塑以维持组织完整性。ECM不仅是被动支架，还通过结合的生长因子和结构蛋白提供生化线索，影响细胞黏附、增殖和迁移。在伤口愈合中，ECM成分和结构动态修饰以支持组织再生的顺序阶段。然而，支架制备后残留的细胞成分可能诱导宿主免疫反应，因此有效脱细胞同时保持ECM完整性至关重要。

5.1. 细胞外基质在伤口愈合中的作用
止血阶段，暴露的ECM成分吸引并激活血小板形成由纤维蛋白、纤连蛋白、玻连蛋白和生腱蛋白组成的临时基质（血凝块），作为入侵细胞支架。炎症阶段，ECM蛋白片段作为单核细胞的化学吸引剂，刺激巨噬细胞分化并吸引其至损伤部位。增殖阶段，ECM提供支架促进细胞迁移至伤口部位。重塑阶段，ECM通过机械感应或受体介导效应诱导干细胞增殖，初始III型胶原被I型胶原取代，由基质金属蛋白酶（MMPs）和整合素调节，胶原纤维直径增加并排列，拉伸强度提升，但成熟疤痕组织仅达到未损伤皮肤强度的80%。

5.2. 细胞外基质成分
胶原占人体蛋白质质量的30%，形成纤维和微纤维等分子支撑，贡献组织的机械性能和结构支撑。成人皮肤真皮ECM以I型和III型胶原为主，IV型形成基底膜网络。I型提供结构稳定性和拉伸强度，III型在伤口修复中形成临时基质促进成纤维细胞和角质形成细胞迁移，IV型维持基底膜完整性并调节细胞增殖。弹性纤维由弹性蛋白和微纤维组成提供弹性，使组织在伤口闭合时承受机械应力。糖蛋白如纤连蛋白和层粘连蛋白在愈合中介导细胞-ECM相互作用。糖胺聚糖（glycosaminoglycans, GAGs）和蛋白聚糖（proteoglycans, PGs）是ECM大分子，调节水合作用、黏弹性和生长因子隔离。主要ECM PG包括versican、decorin和biglycan，参与胶原纤维形成、基质组织和细胞黏附。整合素作为跨膜受体介导细胞与ECM之间的相互作用，激活参与细胞黏附、增殖和组织修复的信号通路。

6. 脱细胞化
脱细胞化是去除组织和器官中细胞成分的技术，留下ECM的三维结构同时保持其结构特性、功能和完整性。常用方法包括物理、化学、酶法和混合方法。脱细胞评估的定量标准包括：每毫克ECM干重中双链DNA（double-stranded DNA, dsDNA）少于50 ng，DNA片段长度短于200碱基对，以及DAPI或苏木精-伊红（hematoxylin and eosin, H&E）染色切片中无可辨认核物质。

6.1. 化学脱细胞处理
常见化学脱细胞剂包括酸和碱、离子和非离子洗涤剂、酒精等。酸剂破坏核酸并溶解细胞质成分，使核DNA与ECM解离；碱显著消除生长因子并降低ECM机械性能。离子洗涤剂如十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate, SDS）和脱氧胆酸钠溶解DNA和细胞膜，但化学性质剧烈，可能破坏ECM刚性和功能并去除GAGs和生长因子。非离子洗涤剂如Triton X-100可破坏脂-脂和脂-蛋白键。酒精通过脱水过程置换细胞内水、破坏细胞并减少遗传物质，但可能影响组织超微结构。多种猪器官的脱细胞研究比较了SDS和Triton X-100的组合效果，显示低浓度SDS在减少DNA含量和ECM保存方面的优势。例如，猪皮肤脱细胞使用0.1% SDS、1% Triton X-100和0.1%氢氧化钠成功去除细胞并保存ECM结构。

6.2. 酶法脱细胞处理
酶法脱细胞利用蛋白酶和核酸酶去除细胞蛋白质和核酸残留。胰蛋白酶是常用酶，通过切割肽键去除细胞成分，已应用于心脏瓣膜、血管移植物和心包膜等器官的脱细胞。猪肺心脏瓣膜脱细胞研究显示，需24小时孵育才能实现完全脱细胞，呈现时间依赖性。

6.3. 物理脱细胞处理
物理脱细胞使用机械力或物理剂诱导细胞裂解，常与化学和酶法结合使用，以减少组织暴露于剧烈试剂并支持ECM结构完整性。浸没法常与受控搅动结合，组织样本浸入含脱细胞剂的室中，以设定强度搅动使试剂均匀分布。超声波处理使用超声波增强脱细胞剂渗透，破坏分子间键和细胞膜。超临界流体如超临界二氧化碳（scCO₂）在温和条件下成功去除ECM组织中的细胞成分。

6.4. 局限性与考虑因素
脱细胞方案必须在有效去除细胞与保存ECM结构和生物活性之间取得平衡。剧烈化学或酶处理可能破坏胶原网络、去除生长因子并改变力学性能；不完全脱细胞可能导致残留成分引发免疫原性反应，尤其对于猪组织等异种来源，残留抗原可能激发免疫反应。批间变异性影响ECM组成、结构性能和生物学性能，对标准化和可重复性构成挑战，并影响监管审批。

6.5. 脱细胞皮肤ECM加工与应用
dECM生物支架研究已从简单组织脱细胞进展到全器官支架脱细胞，近期研究集中于将基质转化为更通用和可加工的格式，如生物墨水和静电纺丝纳米纤维。猪真皮ECM基生物墨水用于3D生物打印，其生化线索在加工成液态后仍保持功能。微创递送系统如可注射填充剂结合聚乙二醇交联羧甲基壳聚糖与dECM，表现出优异的物理性能、注射性、机械强度和可塑性，支持血管化组织再生，减少炎症，增强VEGF表达和ECM成熟。皮肤来源dECM经甲基丙烯酰官能团修饰（MA-dECM）实现光交联，产生力学可调水凝胶。

7. 猪皮肤作为生物材料
猪皮肤因与人类皮肤的相似性而成为临床前伤口愈合研究的可靠替代品，两者共享表皮厚度、真皮-表皮连接结构和总体细胞组成。角质形成细胞和成纤维细胞的分布与人类皮肤相当，免疫细胞包括朗格汉斯细胞和树突状细胞，T细胞确保病原体清除和受控组织再生。猪皮肤表现出拉伸强度、弹性和柔韧性等力学性能，其非线性黏弹性和各向异性行为使皮肤替代品在运动初期柔软响应，随应变增加提供更大阻力，防止过度拉伸。弹性和柔韧性有助于移植物或支架与宿主组织整合，防止剪切、不适和失效。

8. 伤口敷料开发
生物材料伤口敷料的进展与制造技术紧密相关，这些技术允许精确控制材料结构、组成和功能，以满足临床需求。技术包括静电纺丝、3D生物打印、水凝胶处理、纳米颗粒聚集和不对称膜制备。总结的制造方法包括3D生物打印（dECM+明胶海藻酸盐）、电纺（聚丁二酸丁二酯+CTAB、丝素蛋白/PHBV负载小檗碱）等，实现了高孔隙率、机械强度、改善的炎症调节和伤口闭合。

9. 天然聚合物在伤口敷料中的应用
天然聚合物用于制造支持细胞生长和组织再生的支架，可设计以匹配组织再生过程的降解速率。聚合物如纤维素、海藻酸盐、壳聚糖、纤维蛋白原和弹性蛋白因其固有生物相容性、可降解性和与ECM的结构相似性而被使用。它们提供保护屏障并维持湿润环境，其三维聚合物网络允许高流体吸收，适合与生物组织直接相互作用而不引发毒性或刺激。

9.1. 纤维素
纤维素是地球上最丰富的天然有机聚合物，由重复D-葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成的线性多糖，形成高度有序和稳定的结构。其生物相容性和低细胞毒性使其适用于伤口敷料、组织支架和药物递送系统。高结晶度（60-80%）贡献拉伸强度和结构稳定性，高聚合度（约1000至10000个葡萄糖单元）形成强纤维网络，羟基促进氢键和水亲和力，导致高保水能力和液体吸收，对维持湿润伤口环境至关重要。

9.2. 木质纤维素废物生物质作为纤维素来源
木质纤维素生物质由纤维素、半纤维素和木质素组成，可从农业和林业残余物及工业城市废物中获得。菲律宾丰富的农业生物质包括椰子壳（纤维素30-47%）、稻壳（33%）和甘蔗渣（41%）。椰子壳纤维素含量较高，半纤维素和木质素含量提供机械稳定性，同时可行纤维素提取。

9.3. 椰子壳
椰子壳是椰子果实的外纤维层，占果实总重约15%。菲律宾2024年椰子总产量1477万吨，椰子壳作为农业废弃物产量可观。提取的纤维素具有高结晶度和良好形态特征（棒状颗粒、纳米纤维结构），热稳定性高。

10. 天然治疗剂在伤口敷料中的应用
治疗剂通过特定生物通路与聚合物骨架共价相互作用实现局部持续递送。抗菌敷料如抗生素接枝羧甲基壳聚糖和胶原表现出长期抗菌活性。局部递送减少全身副作用，降低抗生素吸收至局部组织。

10.1. 天然治疗剂
天然治疗剂来源于植物、海洋生物和微生物，被认为更安全、毒性更低、更具成本效益。对验证植物疗法的需求增加，尤其在慢性病管理中。

10.2. 积雪草
积雪草（Centella asiatica）是一种药用草本植物，主要活性成分为五环三萜类化合物：积雪草苷（asiaticoside）、羟基积雪草苷（madecassoside）及其苷元积雪草酸（asiatic acid）和羟基积雪草酸（madecassic acid）。它们促进I型和III型胶原合成及细胞内纤连蛋白，提高新形成皮肤的拉伸强度。积雪草通过抑制促炎细胞因子和酶调节炎症反应，通过激活细胞运动和增殖通路增强角质形成细胞和成纤维细胞迁移。羟基积雪草苷通过线粒体依赖性途径诱导瘢痕疙瘩成纤维细胞凋亡，防止过度瘢痕形成。植物还改善氧和营养递送，抗氧化活性减少氧化应激。体内研究表明积雪草苷-积雪草水凝胶比乳膏更快促进伤口愈合，甲醇提取物喷雾显著改善愈合。在糖尿病足溃疡中，积雪草苷一氧化氮凝胶加速愈合率。

10.3. 积雪草的释放动力学
数学动力学模型描述药物从载体基质释放机制。Korsmeyer-Peppas模型显示非菲克（异常）扩散，释放受扩散和聚合物基质溶胀/松弛共同控制。Higuchi模型描述纯扩散过程，释放速率与时间平方根成正比，适用于储库型基质系统。Hixson-Crowell模型描述通过溶蚀/侵蚀释放。水包油乳液中外亲脂相作为扩散屏障，实现积雪草三萜类化合物的持续释放。天然多糖如黄原胶、褐藻胶和木薯淀粉形成水凝胶网络稳定活性化合物，调控扩散，符合Higuchi动力学。

11. 转化挑战与实践相关性
猪皮肤dECM、椰子壳纤维素和积雪草的功能整合需克服免疫原性风险（异种残留抗原）和原材料生物变异性（地理、栽培、收获时间和提取方法影响）。大规模制造需考虑工艺条件差异，影响力学强度、活性化合物浓度和重复性。未来方向包括多功能智能伤口敷料，响应动态伤口环境，采用3D生物打印个性化设计，整合生长因子和细胞疗法，并需标准化监管路径和生物相容性评估。工业规模化需优化供应链和设施布局，考虑温度敏感性的热管理策略，以及生物原材料采购的供应链风险评估。

12. 伤口敷料的表征技术
表征技术涵盖结构、组成、力学稳定性和生物反应。结构分析包括扫描电子显微镜（SEM）评估dECM结构、孔隙率、纤维排列和表面形态；微计算机断层扫描（Micro-CT）评估三维孔隙率和血管化。组成分析包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定化学官能团、羟脯氨酸定量胶原含量、DNA定量确认细胞去除。力学测试包括拉伸测试评估拉伸强度和断裂伸长率、流变测试评估黏弹性、溶胀测试评估水化稳定性。生物反应评估包括细胞毒性测定（MTT、WST-1、AlamarBlue）、免疫染色检测特定蛋白标记物、活/死染色显示细胞存活。

13. 综合
糖尿病伤口因高血糖、慢性炎症、氧化应激和成纤维细胞/角质形成细胞活性失调而具挑战性。传统敷料缺乏生物活性基质。文献强调dECM在伤口愈合中作为支架和细胞行为调节剂的作用，保存胶原、弹性纤维、糖蛋白、GAGs、PGs和整合素。猪皮肤因与人类皮肤相似而成为有前景的生物材料，但dECM单独存在机械可调性和湿度调节局限，激发对复合支架的兴趣。纤维素因优良保水性和生物相容性受关注，椰子壳作为菲律宾可持续纤维素来源。积雪草具抗炎、促血管生成和胶原刺激作用。当前文献对三组件同时功能整合的研究有限。开发整合猪皮肤dECM、椰子壳纤维素和积雪草的伤口敷料有利于提供生物活性愈合环境，需通过表征技术评估结构完整性、化学组成和细胞相容性。

14. 结论
本综述强调需要从被动敷料转向生物活性系统，以应对糖尿病伤口的复杂病理。dECM、椰子壳纤维素和积雪草的整合仍需优先研究。未来应优先开发复合伤口贴片，整合猪皮肤dECM、湿度调节天然聚合物和调节炎症的生物活性剂。使用可持续、局部可用生物材料为先进伤口护理研究与环境和经济考虑提供机会。整合dECM基复合伤口敷料代表糖尿病伤口管理向多功能解决方案发展的有前途方向。