综述：用于皮肤再生的水凝胶中的机械、氧化还原和生物电耦合：网络设计与结构-性能关系

《Gels》：Mechanical, Redox, and Bioelectrical Coupling in Hydrogels for Cutaneous Regeneration: Network Design and Structure–Property Relationships

　　

摘要：皮肤伤口愈合受动态相互作用的机械、氧化还原和生物电信号调控，这些信号调节细胞迁移、炎症、血管生成、细胞外基质重塑和组织再生。水凝胶被越来越多地设计用来调节这些线索；然而，大多数系统仍然通过独立测量的性质来描述，例如刚度、抗氧化活性和导电性，而没有证明它们之间的功能性耦合。本综述从跨域角度审视再生水凝胶，整合了机械传导、氧化还原信号、内源性生物电及其分子汇聚的生物学基础，以及控制水凝胶行为的网络级机制。特别强调了动态交联、粘弹性松弛、水合作用、氧化还原活性化学、离子和电子传输、导电和压电相，以及依赖降解的材料功能演化。提出一个概念层级来区分性质共存、结构整合、定向转导和自适应反馈，连同评估耦合的实验标准和定量方法。现有证据表明，机电耦合最为成熟，而机械-氧化还原和氧化还原-电相互作用仍缺乏系统性量化。从描述性的多功能性向可控的跨域转导迈进，可能使水凝胶能够作为适应性的软界面发挥作用，响应皮肤再生过程中不断变化的物理化学条件。

2. 皮肤伤口微环境的机械、氧化还原和生物电调控

皮肤伤口愈合传统上分为止血期、炎症期、增殖期和重塑期。尽管此框架对描述损伤后的主要细胞事件仍有价值，但它仅部分代表了细胞在伤口内所感知的信息。组织破坏同时改变了细胞外基质（ECM）连续性、组织张力、基质刚度、氧含量、pH值、活性氧（ROS）、离子梯度、膜电位和跨上皮电位。这些扰动发生在不同的空间和时间尺度上，但汇聚于控制细胞极性、细胞骨架重塑、迁移、炎症、血管生成、基质沉积和分化的共同过程。因此，伤口微环境应被视为一个动态耦合的系统，而非独立的生化和物理变量的集合。区分共存与耦合尤为重要：当机械、氧化还原和生物电信号独立影响细胞行为时，它们共存；而当对一个域的扰动改变另一个域的强度、方向、持续时间或空间组织时，则发生功能性耦合。几个分子节点，包括整合素、粘着斑激酶（FAK）、Src家族激酶、Piezo型机械敏感离子通道组件1（PIEZO1）、Ca²⁺、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶、磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN）、Rho家族GTP酶以及肌动球蛋白细胞骨架，为这种信号整合提供了潜在途径。

2.1. 皮肤伤口微环境的时空重塑

损伤后立即形成富含纤维蛋白和纤连蛋白的临时基质，其在组成、结构和力学行为上与天然真皮ECM有显著差异。该基质逐渐被含有巨噬细胞、成纤维细胞、内皮细胞、新沉积ECM和新生微血管的内芽组织所取代。成纤维细胞产生牵引力并重组胶原蛋白，而亚群则获得收缩性肌成纤维细胞表型。重要的是，这些群体并非均一；不同的成纤维细胞状态对ECM沉积、收缩、再生和纤维化的贡献不同。ECM组成的改变也改变了细胞感知机械信息的能力。例如，伤口相关的聚集蛋白聚糖通过聚集蛋白聚糖-基质金属蛋白酶-12（MMP12）依赖性机制增强角质形成细胞的机械感知、细胞骨架组织、牵引力生成和集体迁移。这些发现表明，ECM不仅充当结构支撑，更是一个活跃的信号界面。同时，损伤迅速改变组织的氧化还原和电学状态。局部ROS信号在损伤后不久产生，而极化上皮离子运输的中断改变了跨上皮电位并产生了伤口相关的离子流。

2.2. 皮肤修复中的机械调控与机械传导

皮肤持续暴露于由组织预张力、身体运动、细胞收缩和ECM架构产生的拉伸、压缩和剪切力中。损伤破坏了这种机械平衡，将张力重新分布到伤口边缘，并用临时基质替代天然ECM，随后该基质演变为富含胶原蛋白的内芽组织。细胞通过整合素、粘着斑、细胞骨架张力、机械敏感离子通道和力响应转录调节因子将机械信息转化为生化信号。Yes相关蛋白（YAP）依赖性激活Engrailed-1（EN1）成纤维细胞是一个特别重要的下游机制，防止这种机械诱导的转变可使成年小鼠伤口修复从常规疤痕形成转向伴有皮肤附属器再生的再生。机械信息也可通过PIEZO1直接转化为离子信号。在角质形成细胞中，PIEZO1依赖性Ca²⁺内流促进局部回缩并可能降低集体迁移效率；而在真皮成纤维细胞中，机械拉伸增加PIEZO1介导的Ca²⁺信号、增殖、迁移和肌成纤维细胞分化。对于水凝胶设计，这些观察结果反对将最大化刚度、抗拉强度、韧性或粘附性作为独立目标。材料应最初提供足够的完整性和细胞牵引支持，随后允许应力耗散、细胞浸润、ECM重塑和促纤维化信号的消退。

2.3. 皮肤修复中的氧化还原信号与氧化还原稳态

ROS在伤口生物材料中常被视为应消除的有害物种，但这并未反映其生理信号功能。过氧化氢（H₂O₂）尤其重要，因为它能作为一种相对稳定的第二信使，通过可逆氧化氧化还原敏感的半胱氨酸残基起作用。实验伤口模型显示双相反应：低浓度或受控的H₂O₂可支持血管生成和修复，而过量暴露则会延迟愈合。这些发现支持存在一个氧化还原信号窗口，而非简单的较低ROS与更好愈合之间的关系。ROS的空间组织同样重要。上皮损伤会在几分钟内产生依赖双氧化酶（DUOX）的H₂O₂梯度，为白细胞募集提供位置信息。氧化还原信号也与离子和机械事件相关联。损伤诱导的Ca²⁺闪光可激活DUOX并启动H₂O₂的产生。最近的高分辨率实验识别出与肌动蛋白重塑和上皮迁移相关的局灶性双氧化酶2（DUOX2）衍生的H₂O₂闪光。重要的是，一条PIEZO1-DUOX2-FER酪氨酸激酶（FER）/皮层肌动蛋白通路连接了机械感知、Ca²⁺相关信号、局灶性氧化和细胞骨架动力学。这提供了直接证据，表明氧化还原信号可以作为机械-氧化还原回路的一部分运作，而非孤立的生化途径。持续的氧化应激代表一种根本不同的状态。因此，水凝胶网络应限制持续的氧化应激，同时保留伤口感知、迁移、血管生成和免疫协调所需的局部ROS依赖性过程。

2.4. 皮肤修复中的内源性生物电信号与趋电性

完整的皮肤通过极化的离子运输和选择性膜通透性维持跨上皮电位。损伤后，表皮屏障的局部破坏创建了一个低电阻通路，而周围完整组织继续维持离子运输，从而产生朝向伤口的损伤电流和侧向电场。这些内源性场在人体中是生理相关的。角质形成细胞对伤口附近测量范围内的电场高度敏感。这种趋电反应依赖于细胞外Ca²⁺和生长因子信号，并涉及与机械传导共享的通路，包括β4-整合素、EGF信号、Rac家族小GTP酶1（Rac1）、粘着斑和细胞骨架极化。PI3K/PTEN轴提供了强有力的因果证据，表明伤口电场作为指导性信号起作用。与机械和氧化还原信号一样，电刺激也具有强烈的背景依赖性。因此，单一的电场强度不能假定在整个多细胞伤口环境中都是普遍再生的。电导率是一种材料属性，而生物电信号是一种生物学功能。报告S/m单位的电导率并不能证明水凝胶保留了内源性伤口电流、传递了生理相关电场、诱导了趋电性、调节了离子通道活性或激活了再生极性通路。

2.5. 机械、氧化还原和生物电信号的分子与物理耦合

上述证据表明，机械、氧化还原和生物电信号共享多个分子和物理界面。然而，它们的同步存在不应自动解释为耦合。功能性耦合定义为一种状态，其中一个域的变化会改变另一个域的生成、传递或生物学解读。机械-氧化还原耦合可能发生在机械变形修饰细胞内Ca²⁺信号和ROS生成时，或者反之，当局部氧化还原化学改变细胞骨架力产生时。PIEZO1-DUOX2-H₂O₂-FER/皮层肌动蛋白通路为此类整合提供了直接的分子证据。机械-生物电耦合在物理上更为直接，因为膜变形可以调节离子通道活性，从而改变电荷分布和膜电位。压电水凝胶通过在材料层面将变形转换为局部电输出来实现同一原理。氧化还原-生物电耦合的论证仍较少，但对氧化还原活性导电材料尤为相关。综合来看，这些研究表明三个渐强的证据水平：最低水平的共存，指材料独立表现出机械、氧化还原活性和导电特性；成对耦合需要证明一个域直接改变另一个域；最强水平的集成耦合需要一个连接机械、氧化还原和生物电过程至细胞信号和组织再生的因果链。在此第三水平的证据仍然稀缺。