自供能光热-热电生物电子敷料结合抗氧化免疫调节机制，可加速糖尿病感染性伤口的愈合

《Biomaterials》：Self-powered photothermal-thermoelectric bioelectronic dressings combined with antioxidant immune regulation accelerate diabetic infected wounds healing

　　摘要：慢性糖尿病伤口存在严重感染、氧化应激、持续炎症等诸多问题。本研究提出一种创新的双模式热电生物敷料，能够协同应对糖尿病伤口愈合过程中的多重挑战。该一体化自供电平台结合了光热杀菌、热电驱动的电刺激以及抗氧化剂介导的免疫调节功能，由3D打印的石墨烯掺杂聚己内酯光热发生器、基于Bi2Te3的热电发生器以及负载虾青素的聚乙烯醇水凝胶组成。在近红外光照射下，光热发生器可提升局部温度以杀灭细菌，并产生热梯度激活热电发生器，从而产生约190毫伏的电能——这一电场有助于破坏细菌细胞膜并增强抗菌效果。近红外光停止照射后，皮肤与外界之间的自然温度差仍能维持约106毫伏的稳定电压，为伤口提供持续的低强度电刺激，促进成纤维细胞增殖、内皮细胞迁移及血管生成。同时，热响应型水凝胶会释放出强效抗氧化剂虾青素，清除活性氧，并促使巨噬细胞向具有再生作用的M2表型转变，进而减轻慢性炎症。体内实验和单细胞RNA测序结果证实，该敷料能有效消除金黄色葡萄球菌感染，加速伤口上皮再生，促进血管形成，并调节免疫反应以推动组织修复。与以往单一功能或外部供电的装置不同，该设计创新性地整合了热电能量收集、光热疗法以及植物化学物质介导的免疫调节功能，形成了一种可扩展、自主运行且能适应不同环境条件的解决方案。

引言：糖尿病伤口是糖尿病最严重的并发症之一，约有四分之一的糖尿病患者在其一生中会面临此问题，这些伤口往往会导致慢性溃疡、感染、截肢以及较高的死亡率[1]、[2]。与经历止血、炎症、增殖和重塑等有序过程的急性伤口不同，糖尿病伤口通常会停滞在炎症阶段。持续的高血糖会扰乱成纤维细胞和角质形成细胞的正常功能，阻碍血管生成，还会改变细胞外基质的重构过程，从而削弱伤口的自我修复能力。再加上免疫反应异常，这些病理变化共同营造出一个极易感染且愈合缓慢的微环境。在糖尿病伤口修复过程中，细菌生物膜的形成、氧化应激以及慢性炎症之间的相互作用是一个关键难题。生物膜能够保护细菌免受抗生素和免疫系统的攻击，从而导致反复感染和持续的组织损伤[3]、[4]、[5]。与此同时，在高血糖和炎症环境下，会产生过多的活性氧，使得糖尿病伤口微环境中的氧化应激水平显著升高[6]、[7]。这会进一步造成细胞和分子层面的损伤，阻碍血管生成，还会使免疫细胞处于促炎状态。微生物耐药性、氧化损伤以及血管功能障碍相互交织，形成了一个恶性循环，使得伤口长期无法愈合[8]、[9]、[10]。因此，有效的疗法必须超越单一功能的干预措施，综合运用抗菌作用、氧化应激缓解以及免疫调节手段，才能让慢性伤口重新恢复修复能力。电刺激疗法作为一种具有临床应用价值的慢性伤口护理方法，越来越受到关注[11]、[12]、[13]、[14]。生理状态下，内在的生物电场能够引导细胞迁移、调节离子流动，并影响组织在再生过程中的结构形成，而电刺激正是利用了这一原理。研究表明，外部施加的低强度电刺激能够加速伤口闭合[15]，其作用机制包括促进角质形成细胞迁移[16]、刺激成纤维细胞增殖[17]、通过上调血管内皮生长因子来促进血管生成[18]，以及在水基质重构过程中改善胶原蛋白的排列[19]。更重要的是，电刺激还能调控细菌的行为，增加细菌细胞膜的通透性，破坏生物膜的稳定性，从而发挥协同抗菌作用[20]。尽管这些生物学效应十分可观，但传统的电刺激装置在实际应用中存在诸多障碍。大多数这类装置依赖笨重的外部电源，便携性较差，难以贴合不规则的伤口表面，而且通常由刚性或非生物相容性材料制成。这些缺陷限制了它们被整合到常规的伤口敷料中，也降低了患者的依从性[21]、[22]、[23]、[24]。例如，Wang等人开发了一种带有可打印且具有抗菌功能的导电水凝胶电极的柔性贴片（ePatch），该贴片能够促进感染伤口的上皮再生、血管生成以及免疫调节[25]，但它仍然需要外部电源来提供电刺激。Kim等人则制备了一种通过喷墨打印制成的、由聚乙烯醇和液态金属构成的导电贴片（SCOPE），该贴片能够在动态变化的伤口部位实现高导电性以及稳定的电刺激输出[26]。在糖尿病小鼠模型中，优化后的电刺激参数能够抑制局部炎症，通过促进上皮再生和新生血管形成来推动组织修复。尽管在装置灵活性和电极设计方面已有所进展，但SCOPE贴片依然依赖外部电池供电，而且由于电池寿命和充电限制，无法实现持续不间断的刺激。正因如此，人们迫切需要一种轻便、灵活、生物相容且具备自主供能能力的电刺激装置，这推动了下一代自供电生物电子平台的研发[9]、[27]、[28]、[29]、[30]。在这一背景下，热电材料提供了一种新的解决方案，可直接解决能源自给自足方面的问题。通过塞贝克效应将温度梯度转化为电能，热电发生器可以利用皮肤（约为37摄氏度）与环境之间的天然温度差，无需外部电源即可持续产生低电压输出。Qin等人最近报道了一种自供电的Ag2Se@GelMA热电水凝胶，该水凝胶能够增强内在电场，从而促进细胞增殖、迁移和血管生成，显著加速伤口闭合[31]。这项研究证明了热电敷料确实可以实现自供电电刺激功能，但Ag2Se@GelMA水凝胶的治疗效果完全依赖于皮肤与外界之间的被动温度差（通常为3 - 5摄氏度），且产生的电压相对较低，可能不足以对严重感染或渗出量较大的伤口提供足够的刺激。此外，这种单一模式的热电方法除了依靠Ag2Se本身的抗菌作用外，缺乏内置的抗菌功能，因此无法有效控制糖尿病伤口中的活跃感染。另一方面，依赖近红外光照射的光热敷料也存在时间上的局限性：其抗菌作用必须依靠持续的光照来维持高于杀菌阈值的局部温度，一旦近红外光停止照射，温度就会迅速降至生理范围，从而使杀菌效果立即消失。这种短暂的活性意味着任何存活的细菌或从周围环境中重新侵入的细菌都可能再次在伤口处定植，因此无法在整个愈合过程中提供持续的保护。例如，Huang等人开发的一种近红外光吸收水凝胶在光照条件下能够实现超过99%的细菌杀灭率，但在近红外激光关闭后，其抗菌活性立刻消失，短短几小时内就会出现细菌大量复生的现象[32]。为弥补这种快速失效的问题，人们不得不在该水凝胶中额外添加5-氟尿嘧啶这种化疗药物，而该药物会带来全身毒性并增加药物耐受性的风险。由此可见，单独的电刺激疗法或光热疗法都无法为糖尿病伤口提供真正持续且自给自足的治疗方案。除此之外，糖尿病伤口的微环境还存在严重的氧化应激和慢性炎症问题，这些问题会进一步阻碍伤口的愈合进程。已有研究表明，具有清除活性氧能力的抗氧化剂以及像虾青素这样的巨噬细胞调节剂，能够减轻氧化损伤，促进具有再生功能的M2型巨噬细胞形成，为全面管理伤口提供了另一种有效途径[33]、[34]。基于此，我们开发了一种兼具光热杀菌、热电刺激以及抗氧化免疫调节功能的功能性敷料，从而克服了现有系统的种种局限性。我们介绍的这种创新双模式热电生物敷料旨在协同应对糖尿病伤口愈合过程中的多重障碍（见图1）。将该敷料的各组成部分放置在伤口表面时，要确保与皮肤接触的水凝胶层能够完全覆盖伤口区域，同时将热电发生器的两端分别放置在伤口的两侧。在近红外光照射下，光热发生器会迅速提升局部温度以杀灭细菌，同时产生可控的热梯度，激活热电发生器，从而产生约190毫伏的电能。这一电场不仅能进一步增强对细菌细胞膜的破坏作用，还能提高抗菌效果。近红外光停止照射后，皮肤与外界之间的自然温度差仍能维持约106毫伏的稳定电压，为伤口提供持续的低强度电刺激，促进成纤维细胞增殖、内皮细胞迁移及血管生成。与此同时，热响应型水凝胶会释放出虾青素，后者能够清除活性氧，并促使巨噬细胞向具有再生功能的M2表型转变，进而减轻慢性炎症，营造有利于组织修复的免疫环境。体内实验结合单细胞RNA测序结果证实，这种多功能敷料确实能有效消除金黄色葡萄球菌感染，加速伤口上皮再生，促进血管生成，同时还能调节免疫反应以推动组织修复。与以往单一功能的敷料或外部供电装置不同，本研究中的多功能敷料将光热杀菌、热电驱动的电刺激以及抗氧化剂介导的免疫调节这三种互补的治疗方式集成在同一个平台上，能够针对糖尿病伤口复杂的病理微环境实现持续且协调的干预。与传统依赖外部电源或在光照结束后无法保持持续疗效的热电系统不同，该装置同时利用近红外光引发的主动刺激以及皮肤与外界之间的被动温度梯度来产生持续的电能输出。此外，负载有虾青素的聚乙烯醇水凝胶有助于清除活性氧，并促进M2型巨噬细胞形成，从而解决了现有热电或光热敷料在应对氧化应激和慢性炎症方面的不足。3D打印技术的应用使得电极图案和多孔结构的构建更加精确，有助于各功能层之间的无缝整合，也能更好地适配不规则的伤口形状。综上所述，该系统是一种多功能、自给自足且能适应不同环境条件的伤口护理平台，它不仅展现了在糖尿病伤口管理方面的应用潜力，还为下一代自供电生物医学系统奠定了概念基础，为慢性伤口治疗和再生医学的发展提供了可持续的解决方案。

材料：聚己内酯（PCL，PCL6500）、氯仿/氮气/二甲基甲酰胺（DMF）、Bi2Te3粉末（p型和n型，金属纯度为99.99%）、虾青素（AST，纯度为96%）、聚乙烯醇（PVA，醇解度为98% - 99%），这些材料均购自Aladdin公司。聚(3,4-乙炔二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT: PSS）购自Macklin公司。氧化石墨烯（GO，来自苏州坦峰，浓度为10毫克/毫升）也来自苏州坦峰公司。1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）则购自Sigma-Aldrich公司。

PTG/TEG/AST装置的制备与表征：PTG/TEG/AST装置由三个功能组件构成：一种石墨烯掺杂的光热发生器（PCL/石墨烯）层、一种基于Bi2Te3的热电发生器（Bi2Te3/PEDOT: PSS）层，以及一种负载有虾青素的聚乙烯醇水凝胶层（PVA/AST）层。在选择各个组件时，充分考虑了它们的物理、电学、热学以及生物学特性，以此实现协同的治疗效果。对于光热发生器组件而言，石墨烯具有较高的光热转换效率以及出色的生物相容性，这有助于实现高效的功能发挥。

结论：慢性糖尿病伤口的成因十分复杂，涉及持续感染、氧化应激、慢性炎症、血管生成障碍以及修复功能缺陷等问题。传统的单一靶向治疗策略往往只能解决个别病理因素，无法应对糖尿病伤口的多重复杂性。本研究开发了一种自供电的生物电子敷料（PTG/TEG/AST），该敷料整合了光热杀菌、热电刺激以及抗氧化功能。

作者贡献说明：薛渊负责方法学研究和实验工作；施佳成负责可视化处理以及方法学相关工作；张艺静负责数据整理工作；李瑞燕负责方法学研究；张宇涵负责资源协调工作；丁孟斌负责方法学研究；张竹红负责论文的撰写与修改、研究指导以及资金筹集工作；季晓渊同样负责论文的撰写与修改以及研究指导工作；康勇负责方法学研究；王丽负责论文的撰写与修改以及研究指导工作。

统计分析：所有数据均以平均值的形式呈现。统计分析采用GraphPad Prism 10软件完成。多组比较则通过单因素方差分析以及双因素方差分析来实现，统计显著性以P值作为判定标准。

数据可用性：数据将在收到请求后提供。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢：本研究的经费支持来自中国国家自然科学基金（项目编号为32471388）、京津冀自然科学基金合作项目（项目编号为25JJJJC0017）、天津市科学技术计划项目（项目编号为25JCLMJC00090）、山东省泰山学者计划（项目编号为tsqn202507161）以及烟台市“双百计划”人才项目（项目编号为2024006）。

薛渊|施佳成|张宇涵|丁孟斌|张艺静|李瑞燕|康勇|王丽|张竹红|季晓渊
中国天津300072，天津大学医学院医学工程与转化医学学院