《Bioactive Materials》：An astragalus polysaccharide-loaded hydrogel dressing enhances diabetic wound healing via dual-mode electrical stimulation
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为解决糖尿病创面愈合面临的持续性炎症、感染、微血管病变等难题，并克服当前电刺激疗法依赖于外部电源、结构复杂及单模电刺激长期使用缺陷等局限，研究人员设计了一种整合摩擦纳米发电机(TENG)与银锌(Ag/Zn)电池的双模电刺激(DES)水凝胶敷料。该研究证实，基于黄芪多糖(APS)的水凝胶基质作为准固态电解质，可增强直流电刺激的持续性和稳定性，并能与APS共同发挥抗炎促愈合作用。在体实验显示，该DES-PGSA敷料能显著促进糖尿病大鼠创面愈合，其机制涉及增强细胞增殖/迁移、促进血管新生、减轻过度炎症反应及降低细菌负荷。该研究为复杂创面如糖尿病创面的治疗提供了一种有前景的新策略。
论文解读
在糖尿病日益成为全球公共卫生负担的今天，糖尿病足溃疡等慢性创面是困扰患者和临床医生的棘手难题。这些创面愈合迟缓、反复发作，背后是多重病理机制的“合谋”：持续的高血糖状态损伤了微血管，导致组织缺血缺氧；创面局部陷入一种“过度炎症”的慢性状态，大量促炎细胞因子如白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等持续高表达，扰乱了正常的愈合级联反应；此外，复杂的创面微环境还为细菌定植提供了温床。面对这重重困境，传统的治疗方法往往力不从心。
电刺激(ES)疗法，作为一种非侵入性的物理治疗手段，在创面修复领域展现出了巨大潜力。它能模拟创面损伤后自然产生的内源性电场，通过促进细胞增殖、迁移，改善局部血液循环，调节炎症反应等多条途径加速愈合。然而，传统电刺激设备通常体积庞大，需要外部电源和复杂布线，极大地限制了患者的行动自由和治疗便利性。此外，长时间应用单一模式的直流电可能会导致电极-组织界面极化、pH值变化和电解产物积累等问题，而依赖摩擦纳米发电机(TENG)产生的脉冲电刺激，其输出又不可避免地依赖于外部的机械输入(如摩擦或拍打)，在患者静息时难以持续提供治疗。为了突破这些局限，并更好地应对糖尿病创面这种复杂病理环境，来自重庆医科大学附属第一医院血管外科的研究团队，在《Bioactive Materials》上发表了一项创新性研究，他们设计并验证了一种基于黄芪多糖(APS)水凝胶的双模电刺激敷料，为糖尿病创面治疗带来了新的希望。
研究人员综合利用了材料学、电化学、细胞生物学和动物实验等多种技术手段。他们首先制备了四种水凝胶：聚乙烯醇(PVA)水凝胶、PVA/甘油(PG)水凝胶、PVA/甘油/海藻酸钠(PGS)水凝胶以及载有黄芪多糖的PGS(PGSA)水凝胶，并系统表征了其微观结构、理化性质、力学性能和生物相容性。接着，他们采用电极复用策略，将TENG和Ag/Zn电池集成到水凝胶基底上，构建了双模电刺激(DES)敷料，并测试了其电学输出性能、稳定性和生物安全性。研究构建了糖尿病大鼠全层皮肤缺损模型，并设立了阴性对照组(NC)、单用PGSA水凝胶组、单用DES(无水凝胶基底)组、DES-PGS(水凝胶基底无APS)组和DES-PGSA(完整敷料)组等多个实验组，通过创面拍照、组织学染色(苏木精-伊红(HE)染色、Masson三色染色)、免疫荧光染色、细菌培养等方法，在体评价了不同敷料对创面愈合的促进作用及生物学效应。此外，研究还通过细胞增殖(EdU)、迁移(划痕实验、Transwell)、血管生成(成管实验)、线粒体膜电位(TMRM染色)、炎症因子表达(RNA测序、Western blot)以及体外抗菌实验等一系列体外研究，在细胞和分子水平深入探讨了该敷料的作用机制。
2.1. 基于水凝胶的双模电刺激敷料的设计
研究人员瞄准糖尿病创面复杂的病理屏障，设计了一种多功能水凝胶敷料。该敷料将双模电刺激技术集成到载有黄芪多糖的水凝胶基底中。模式1利用摩擦纳米发电机(TENG)在外部机械刺激下产生脉冲电输出，模式2则依靠被水凝胶激活的银锌(Ag/Zn)电池产生持续的直流电刺激。同时，水凝胶中的APS被持续释放，以针对糖尿病创面过度的炎症状态提供额外的抗炎作用。
2.2. 水凝胶的理化表征和生物相容性
研究制备了PVA、PG、PGS和PGSA四种水凝胶。表征结果显示，所有水凝胶均呈现疏松多孔的內部结构，加入海藻酸钠(SA)后形成了更致密互联的三维网络。傅里叶变换红外光谱(FTIR)表明各组分主要通过物理共混和非共价相互作用结合。力学测试证实复合水凝胶网络具有改善的承载能力和延展性。血液相容性、凝血功能、药物(APS)缓释行为及金属离子(Ag+, Zn2+)释放评估均显示其具有良好的生物安全性。细胞活性实验(Live/Dead染色和CCK-8法)证实，PGSA水凝胶及Ag、Zn电极的浸提液均未引入可检测的细胞毒性。
2.3. 双模电刺激敷料的器件设计、电输出及生物相容性
敷料采用分层架构设计和电极复用策略。水凝胶电解质桥接Zn和Ag电极形成Ag/Zn电池，其上集成了基于TPU/ITO/TPU的TENG。电学测试表明，TENG在1N压力、2Hz频率下可产生约8.93V的电压和1.75μA的电流输出。Ag/Zn电池的输出强烈依赖于水凝胶的含水量，而以水凝胶作为准固态电解质可显著提高其输出电压的稳定性(超过12小时)。将两种模式集成后，可观测到稳定的直流输出基线上叠加了周期性的脉冲电流。器件在弯曲条件下仍能保持相对稳定的电输出，并展现出良好的机械耐久性。细胞实验证实，双模及单模电刺激(Ag/Zn电池和TENG)在测试条件下对细胞活力均无不利影响。
2.4. 糖尿病大鼠模型中创面愈合的在体评价
在糖尿病大鼠创面模型上，DES-PGSA敷料在所有时间点均表现出最优的创面愈合效果，至第12天创面几乎完全闭合。组织学分析(HE和Masson染色)显示，DES-PGSA组创面全层皮肤几乎完全再生，炎症细胞浸润最少，胶原沉积最显著且排列有序。主要器官病理切片和血清生化指标(ALT、AST、CREA、BUN)分析未发现异常，表明DES-PGSA敷料具有优异的在体生物安全性。与单模电刺激(Ag/Zn或TENG)相比，双模电刺激(DES-PGS)取得了更好的愈合效果。
2.5. 双模电刺激调控创面愈合的方向
研究人员观察到，经电刺激敷料处理的创面呈现沿创面边缘线性收缩的愈合趋势。通过改变电极方向，可以引导创面收缩的方向发生变化。细胞骨架(F-肌动蛋白)染色显示，经DES-PGS处理的人真皮成纤维细胞(NHDF)的细胞骨架呈现出更明显的沿电场方向的极化排列。这表明双模电刺激可能通过影响细胞骨架的极化，进而引导细胞迁移的方向，从而调控创面愈合的方向。
2.6. DES-PGSA敷料在糖尿病创面愈合过程中的在体生物学评估
创面分泌物细菌培养显示，DES-PGSA敷料在所有时间点均表现出最佳的抗菌性能。免疫荧光染色表明，在愈合后期(第10天)，DES-PGS和DES-PGSA能显著降低创面组织中促炎因子(IL-6, TNF-α)的表达，而PGSA水凝胶也有类似作用。同时，DES-PGS和DES-PGSA显著提高了血管平滑肌肌动蛋白(α-SMA)和CD31(血管内皮细胞标记物)的表达，促进了血管新生。此外，它们还上调了波形蛋白(Vimentin, 成纤维细胞标记物)和转化生长因子-β1(TGF-β1)的表达，表明其可能促进了成纤维细胞的增殖、活化和向肌成纤维细胞的分化。
2.7. DES-PGSA敷料的体外生物学评估
体外细胞功能实验表明，DES-PGS和DES-PGSA对NHDF的增殖、迁移，以及对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的迁移和成管能力，均有比单模电刺激更强的促进作用。PGSA水凝胶对这些功能也有轻微的改善。线粒体膜电位检测发现，高糖环境会损害NHDF的线粒体膜电位，而DES-PGSA处理可使其恢复至接近正常水平。在THP-1来源的巨噬细胞炎症模型中，RNA测序和Western blot验证显示，DES-PGSA和PGSA均能减轻炎症反应，降低IL-6、TNF-α、IL-1β的表达，并抑制p38和p65的磷酸化(涉及MAPK和NF-κB通路)，且DES-PGSA的效果最显著。体外抗菌实验(Live/Dead染色、菌落计数、扫描电镜(SEM))证实，双模电刺激(DES-PGS)比单模电刺激具有更强的直接杀菌作用，并能导致细菌膜穿孔等形态学改变，而PGSA水凝胶本身无直接抗菌作用。
研究结论与意义
本研究成功构建了一种基于载黄芪多糖水凝胶基底的双模电刺激伤口敷料。该敷料整合了来自Ag/Zn电池的持续直流电刺激和来自TENG的脉冲交流电输出，其促进糖尿病创面愈合的效果优于单模电刺激。PGSA水凝胶作为Ag/Zn电池的准固态电解质，显著增强了直流电输出的持续性和稳定性，从而使其疗效优于无水凝胶基底的DES敷料。在作用机制上，DES-PGSA敷料提供的持续稳定电刺激能够增强细胞增殖和迁移、促进血管新生、减轻过度炎症反应并降低细菌负荷。载入的黄芪多糖则提供了额外的抗炎和促愈合作用。此外，研究还发现双模电刺激能够增强细胞骨架的极化，这可能是其能够观察到的引导创面定向愈合现象的原因之一。
总之，该研究通过巧妙的电极复用和材料集成策略，开发出一种新型多功能智能敷料。它不仅解决了传统电刺激疗法设备笨重、依赖外源电源的问题，还通过“双模协同、水凝胶增效、药物辅助”的策略，针对糖尿病创面的多重病理屏障(炎症、感染、缺血、细胞功能障碍)实现了多靶点干预。DES-PGSA敷料展现出的高效促愈合能力、定向愈合调控潜力以及良好的生物安全性，为糖尿病足溃疡等复杂难愈性创面的临床治疗提供了一种极具前景的候选方案，有力推动了可穿戴、自供电电刺激疗法向临床转化的进程。
