机械调控型水凝胶实现感染性糖尿病活动性创面的低瘢痕功能性愈合

《Materials Today Bio》：Mechanoregulative Hydrogel Enables Scar-Reduced and Functional Healing of Infected Diabetic Mobile Wounds

　　

糖尿病活动性创面的感染性伤口以持续性高血糖、氧化应激和耐药菌定植为特征，这些因素共同形成一个自我放大的感染–炎症循环。同时，位于机械活动区域（如颈背和关节）的伤口持续受到拉伸和重复变形作用，导致创缘应力分布不均、纤维化重塑和增生性瘢痕形成。因此，生化病理与机械失衡的同步调控对糖尿病活动性创面的高质量愈合至关重要。本研究构建了一种多级机械调控水凝胶，用于协调调控糖尿病活动性创面感染部位的生物–机械微环境。内层动态苯硼酸酯网络作为葡萄糖响应性递送平台，按需释放聚六亚甲基双胍（PHMB）和用于平衡氧化应激的OPC-Ce纳米粒子（OPC-Ce NPs），从而实现耐药菌的高效清除、活性氧（ROS）清除和炎症微环境重塑。外层弹性网络吸收、分散并均化创缘应力，重构局部应力分布，从而抑制高应力区域的纤维化激活，同时改善低应力区域的受损细胞活性。此外，外层可回收过量PHMB，降低长期抗菌暴露相关的细胞毒性。体内实验表明，该水凝胶显著促进糖尿病活动性创面的有序再生，表现为表皮分化正常化、毛囊新生增强、真皮成纤维细胞过度激活受抑以及新生血管和细胞外基质的功能性重塑。本研究建立了一种整合抗感染/抗炎调节、动态抗菌剂管理和机械应力调节的治疗策略，为活动关节处感染性糖尿病创面的低瘢痕修复提供了新的材料范式。

**研究背景与面临的问题**

糖尿病慢性创面是再生医学领域的重大挑战，因其易发生反复感染、持续炎症、组织坏死乃至截肢。此类创面常发生于颈背、关节及肢体屈曲部等机械活动部位，持续承受拉伸、压缩和反复变形。与静态创面不同，活动性创面的修复同时受到糖尿病生化病理与持续机械扰动的双重负担。生化层面，创面床存在过量活性氧（ROS）、高血糖渗出液、耐药菌定植和生物膜形成，这些因素相互强化，形成感染–炎症恶性循环；病原体相关分子模式持续促使巨噬细胞向促炎M1表型极化，而基质金属蛋白酶（MMPs）水平升高加速细胞外基质（ECM）降解，使创面陷于慢性炎症状态。传统载药水凝胶面临根本困境：长期抗菌暴露虽可控制感染，却会损害成纤维细胞和内皮细胞活性，妨碍组织再生。机械层面，活动性创缘应力呈空间异质性分布，高应力区易发生细胞过度激活和增生性瘢痕，低应力区则细胞活性不足、迁移延迟；持续机械超负荷可通过机械转导（mechanotransduction）直接改写修复程序，使机械敏感的En1谱系阴性成纤维细胞（ENFs）向促纤维化的En1谱系阳性成纤维细胞（EPFs）转化，导致胶原无序沉积、基质硬化和瘢痕形成。因此，亟需同时打破慢性感染–炎症循环并恢复局部机械稳态。

**研究设计与主要结论**

研究人员开发了一种多级机械调控水凝胶，协同干预糖尿病活动性感染性创面的生化失调与机械失衡。该材料由内层动态葡萄糖响应网络和外层弹性机械管理网络构成。内层以聚乙烯醇（PVA）、氨基苯硼酸改性明胶（Gel-APBA）、PHMB和OPC-Ce NPs为原料，依靠动态苯硼酸酯交联实现葡萄糖响应释药；外层以降冰片烯功能化PVA（PVA-NB）经共价交联形成，负责吸收、耗散和均化创缘应力，并通过静电络合与氢键重构回捕过量PHMB。体内外研究表明，该体系兼具抗感染、抗氧化、抗炎、促血管生成和机械调控功能，可显著抑制纤维化并减少瘢痕形成，实现功能性愈合。该成果发表于《Materials Today Bio》。

**关键技术方法**

研究采用PVP、Ce(NO₃)₃·6H₂O与低聚原花青素（OPC）配位自组装合成OPC-Ce NPs，通过明胶与3-氨基苯硼酸（APBA）的酰胺化、PVA与降冰片烯酸酐的开环酯化分别合成Gel-APBA和PVA-NB；进而构建动态苯硼酸酯内层和共价交联外层双网络。利用流变学、单轴拉伸、1000次循环压缩及有限元模拟评估力学与能量传递行为；通过细菌捕获/杀灭、PHMB释放-回捕、体外细胞抗氧化、巨噬细胞极化、划痕与Transwell迁移、血管生成实验评价生物学功能；并建立MRSA感染的糖尿病大鼠颈背全层创面模型，进行组织学、免疫荧光、胶原天狼星红染色及组织力学测试。

**研究结果**

在“OPC-Ce纳米粒子的制备与表征”中，研究制备了粒径约82.16 nm的球形OPC-Ce NPs，元素分布均匀，Ce³⁺与Ce⁴⁺共存且比值为0.71，主要以无定形态存在，10天内保持稳定。“OPC-Ce纳米粒子的功能评价与机制研究”显示，OPC-Ce NPs可高效清除ABTS·⁺、DPPH·、·O₂^?和·OH，保护H₂O₂损伤的成纤维细胞和RAW264.7细胞；循环伏安分析表明Ce-OPC配位使电子离域增强、HOMO-LUMO能隙减小，从而降低电子转移能垒、加速ROS中和。“水凝胶的构建与结构表征”确认内层由PVA/Gel-APBA/PHMB/OPC-Ce NPs通过动态苯硼酸酯交联形成，外层由PVA-NB共价交联形成；Gel-APBA的APBA接枝率约7.35 wt%，PVA-NB的降冰片烯酸酐接枝率约25.5%。“水凝胶的基本性能评价”表明内层孔隙均匀、Ce分布均匀，能快速凝胶化，兼具吸水/保水能力；外层18 h保水率64.13%，内层6 h向模拟皮肤供水15.09%，降解行为与愈合进程相匹配。“水凝胶的皮肤样黏弹性”测试显示，内层低频黏性主导、高频弹性主导，37 °C下稳定；外层在0.1%–100%应变范围内保持弹性主导，断裂强度115.29 kPa，韧性75.27 kJ/m³。

“机械力调控与能量传递”结果显示，外层经历1000次压缩循环后最大应力保持率高于86.15%，耗散能逐渐降低而可恢复弹性应变能基本不变，能量转换效率保持稳定；有限元模拟证实其可将创缘高应力吸收并重新均匀分布，减少高应力热点对再生组织的持续刺激。“细菌捕获能力评价”显示内层对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌（E. coli）捕获率约35%，OPC-Ce NPs和PHMB均可增强捕获，且多次传代未出现抗捕获耐受。“细菌管理能力评价”显示GPP@NP水凝胶8 h杀菌率接近100%，120 h仍保持>96%的杀菌效率，反复使用未见明显耐药性，对成熟生物膜去除率>84%。“抗菌剂的控释与回捕行为”证实，高糖条件使苯硼酸酯交联解离，PHMB释放显著增加；外层通过静电络合与氢键重构可回捕73.14%的游离PHMB，从而降低细胞毒性和溶血风险。“可注射性、微观流动性与自愈合能力”测试表明，内层具有剪切变稀、可注射和自愈合能力，能填充不规则深部创面；外层依靠极性基团可逆作用实现一定结构恢复。“黏附性能评价”显示外层PVN水凝胶湿组织黏附力强，搭接剪切强度16.90 kPa、拉伸黏附强度60.47 kPa，能密封猪皮肤/肠道缺损并承受>120 mmHg的爆破压力。“止血性能评价”在大鼠肝脏切口模型中显示，PVN水凝胶显著减少出血量和止血时间，优于纱布和明胶海绵。

在“氧化应激下细胞保护作用”中，GPP@NP水凝胶可清除多种ROS，维持线粒体膜电位，使RAW264.7细胞和成纤维细胞活力保持在85%以上。“巨噬细胞表型重编程”显示，GPP@NP处理促进巨噬细胞从M1向M2表型转化，降低TNF-α和IL-6，升高TGF-β和IL-10。“促迁移和促血管生成作用评价”表明GPP@NP可促进成纤维细胞迁移并增强血管内皮细胞管腔形成。

“水凝胶促进糖尿病活动性感染性创面愈合”的体内实验采用MRSA感染的糖尿病大鼠颈背全层创面模型。结果显示，PVN/GPP@NP组较PBS和GP组更快收缩，第15天接近完全闭合，创面细菌负荷持续降低。“再生组织组织学分析”显示，该组第9天炎症浸润明显减少，第21天形成约51.5 μm、薄而均匀的成熟表皮，瘢痕宽度最小，毛囊新生最佳；Masson染色显示胶原沉积有序并形成致密网络。“再生组织炎症级联反应”分析表明，PVN/GPP@NP组ROS水平降低、M2型巨噬细胞增多、Ki-67阳性细胞增殖增强，TNF-α和IL-6下降而TGF-β和IL-10上升，有效打破感染–炎症恶性循环。“血管生成与血管重塑评价”显示，该组早期CD31阳性血管生成增强，后期CD31信号逐渐减弱而α-SMA信号增强，提示新生血管由增殖状态向成熟稳定状态重塑，而非持续保持未成熟状态。

“机械稳态评价”结果显示，PVN/GPP@NP组创面组织中Yes相关蛋白（YAP，Yes-associated protein）的核定位显著减少，其下游靶基因结缔组织生长因子（CTGF，connective tissue growth factor）表达降低；CK14染色显示表皮结构正常化、无异常增厚，En1阳性EPFs减少，提示机械敏感的成纤维细胞向促纤维化状态的转化受到抑制；天狼星红染色显示I型/III型胶原比例趋近正常皮肤，胶原束呈波浪状交织，形成高度有序的多方向互锁拓扑网络，组织力学性能接近正常皮肤。“体内生物相容性”评估显示，治疗后30天心脏、肝脏、脾脏、肺脏和肾脏均未见明显炎症浸润或病理损伤。

**讨论与结论**

该多级机械调控水凝胶通过整合抗感染/抗炎调控、动态抗菌剂管理和机械应力场调节，协同恢复了糖尿病活动性感染性创面的生物–机械稳态。其内层动态网络在葡萄糖刺激下按需释放PHMB和OPC-Ce NPs，实现耐药菌清除、ROS中和及炎症微环境重塑；外层弹性网络通过“应力吸收–弹性储能–均匀再输出”机制重新分布创缘应力，并回捕过量PHMB以降低细胞毒性。最终，该体系抑制了YAP/CTGF介导的异常机械转导和EPF活化，促进表皮分化正常化、毛囊新生、血管成熟以及ECM有序重塑，实现了低瘢痕功能性愈合。作者同时指出，本研究仍存在一定局限：体外细胞实验模拟环境与真实糖尿病创面渗出液存在差异，且紫外原位交联方法可能存在刺激，有待后续深入研究。