综述：光催化析氢促进糖尿病创面愈合：机制、材料与治疗前景

《Journal of Energy Chemistry》：Photocatalytic hydrogen evolution for diabetic wound healing: Mechanisms, materials, and therapeutic prospects

　　

# 摘要

光催化产氢（PHE）近年来已成为一种促进糖尿病创面愈合的创新策略，能够实现按需直接生成治疗性分子氢（H?）。H?具有清除过量活性氧（ROS）、抑制促炎细胞因子、促进再生性巨噬细胞极化以及增强血管生成/再上皮化等生物学效益。关键在于，糖尿病创面微环境中富含葡萄糖等病理代谢物，可作为内源性牺牲试剂加速PHE，实现H?生成与葡萄糖消耗的同步进行。近年来，针对糖尿病创面愈合的PHE半导体光催化剂（尤其是TiO?和聚合物点（Pdots））的研究取得了深入进展。与此同时，本文还总结了互补的光响应氢键有机框架（HOFs）平台；尽管HOFs通常通过替代的光动力级联反应而非直接产氢来发挥作用，但它揭示了一种更广泛的范式，即利用内源性创面代谢物驱动局部催化反应并重塑病理微环境，该方法可被整合入水凝胶/敷料中，与光热和光动力抗菌效应协同实现持续的局部H?治疗。本综述系统总结了PHE机制，包括电荷转移/迁移动力学、内源性牺牲试剂、糖尿病创面微环境以及在原位PHE生成的H?的治疗作用。本文评估了光催化剂优化、生物安全性、光穿透性和临床转化方面的当前挑战。该方法搭建了光催化与再生医学之间的桥梁，为糖尿病创面愈合提供了一条先进的路径。

# 引言

目前，糖尿病创面愈合仍然是主要的临床需求，其特点是由一系列细胞和分子功能障碍共同驱动的慢性化过程[1][2][3][4][5]。与急性创面有序经历止血、炎症、增殖和重塑过程不同[6][7][8][9]，糖尿病创面始终困于无序修复中[10][11][12][13]，其病理停滞源于相互关联的机制：严重受损的血管生成影响氧气和营养输送；持续性促炎巨噬细胞以持续的巨噬细胞浸润和升高的肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）为特征；免疫监视受损导致高细菌感染易感性；以及由线粒体功能障碍和活性氧（ROS）驱动的过量氧化应激[14][15][16][17]。这些因素建立了一个不利的微环境，阻碍成纤维细胞增殖、角质细胞迁移和胶原沉积，导致炎症放大氧化损伤、缺血加剧细胞功能障碍的自我维持恶性循环（图1）。幸运的是，分子氢（H?）凭借其独特的生物学特性，已作为一种前景广阔的治疗试剂[18][19][20][21]。作为一种选择性且强效的抗氧化剂，H?可有效消除细胞毒性ROS，尤其是羟基自由基（•OH），从而减少氧化损伤而不破坏必要的氧化还原信号[22][23][24][25][26][27][28][29][30][31]。H?还具有抗炎效应，通过抑制TNF-α、白细胞介素-1β（IL-1β）和IL-6等促炎细胞因子，同时加速巨噬细胞从M1向M2状态转变[32][33][34][35]。此外，H?可通过上调血管内皮生长因子（VEGF）和增强内皮细胞功能，促进糖尿病创面中常缺乏的血管生成过程[36][37][38][39]。结合协同的抗氧化、抗炎和促血管生成作用，H?可重塑不良的创面微环境，阻断慢性炎症/缺血的恶性循环，恢复协调的组织修复。然而，由于传统策略（如吸入和富氢水）通常靶向性差、效率低且在创面部位释放不持久，H?疗法的临床转化仍然充满挑战。

为了克服这些问题，近年来探索的光催化产氢（PHE）技术显著丰富了该过程的机制研究和材料工程科学路线，其中核心因素是先进半导体光催化剂的设计。导电纤维结构的探索为柔性能源器件奠定了基础，例如基于热门研究光催化剂MoS?的电极，兼具高催化活性和优异的机械可变形性[40]。基于这些结构设计路线，多种多组分异质结构，从具有氧化还原活性孔道的共价有机框架（COFs）到等离子体增强Z型TiO?/ZnTe/Au纳米棒，再到仿生Te/SnS?/Ag人工纳米叶片，都展示了分子级活性位点、级联电荷转移和表面等离子体共振如何协同促进PHE和能量存储[41][42][43]。更近期，精确的能带结构和界面工程已成为高级优化路线，其中碳量子点（QDs）限域的介孔石墨氮化碳（g-C?N?）界面有效促进了定向电子-质子协同作用，而多界面g-C?N?同质结凭借内建电场（BEF）通过高效S型迁移行为有效延长了载流子寿命[44][45]。除这些代表性PHE工作外，新兴的电子维度调制策略和缺陷/空位化学也被广泛采用以增强电荷分离、延长载流子寿命并加速表面反应动力学[46][47][48]。因此，这些代表性PHE系统凸显了半导体光催化剂先进设计的关键重要性，这可直接转化为糖尿病创面愈合中局部和持续H?递送PHE系统的开发。

在过去十年中，光催化与生物医学工程的整合受到越来越多的关注，这体现在该跨学科领域出版物和引用数量的持续增加上（图2）[49][50][51][52][53][54]。同时，几篇具有代表性的综述也全面总结了先进光催化剂的探索，不仅清晰凸显了光催化剂先进设计这一核心因素，还指出了基于PHE的创面愈合潜在策略[55][56][57][58][59][60][61][62][63]。这些工作为理解影响PHE效率的关键因素奠定了坚实基础，包括光吸收能力、电荷分离/迁移动力学、表面反应动力学和长期光稳定性，这些在治疗应用中同样至关重要。与此同时，材料科学与生物医学工程的整合也促进了这些基础研究的临床转化，再利用创面的病理代谢物（尤其是葡萄糖）作为内源性牺牲试剂以促进PHE。受增强PHE性能的多种策略启发[64][65][66][67][68][69][70][71]，该技术近期已成为一种按需和局部H?递送平台，用于高效的创面管理，通过利用在光照下直接在创面生成H?的半导体光催化剂，有效克服了全身性H?给药的限制，从而提供精确的时空控制[36][72][73][74]。近期研究进展将生物相容性光催化剂（如定制金属氧化物（MO）、Pdots和氢键有机框架（HOF）光催化剂）整合入水凝胶或敷料中，创建了响应性治疗平台[75]。在可见光或近红外（NIR）光照射下，这些材料催化水解或底物氧化，产生H?，同时通常还发挥光热或光动力抗菌效应。值得注意的是，糖尿病创面微环境中富含内源性代谢物（尤其是葡萄糖），可直接作为高效牺牲试剂消耗光生空穴。这一独特特征实现了通过质子还原持续生成H?和局部消耗过量葡萄糖的双重治疗效益，从而减轻糖化应激和晚期糖基化终产物（AGEs）的形成。因此，PHE递送代表了半导体材料科学与再生医学的汇聚前沿，提供了一种靶向、高效和生物安全的手段，以打破糖尿病创面中慢性炎症和修复受损的恶性循环。

鉴于此，我们提出本综述，聚焦于PHE在糖尿病创面管理中的理性设计与生物医学整合，从而弥合先进光催化剂工程与临床再生需求之间的差距。具体而言，本文全面讨论了PHE的基本机制，特别关注能带电位范围、电荷转移/迁移动力学，以及光催化利用内源性创面代谢物作为牺牲试剂驱动PHE实现原位H?生成。随后，分析了糖尿病创面微环境的高血糖、氧化应激、慢性炎症和感染等病理特征，为PHE干预建立理论基础。之后，全面总结了PHE原位生成H?在调节氧化应激、炎症和血管生成方面的治疗作用，以及生物相容性光催化剂的最新进展及其在水凝胶和敷料中的整合，重点关注H?治疗与微环境重塑的协同效应。最后，批判性地评估了当前挑战，主要涉及光催化剂优化、生物安全性、光穿透性和临床转化。

# 章节摘要

## PHE的基础与机制

PHE代表一种光驱动过程，能够在创面部位直接原位生成H?。其整合入糖尿病创面治疗依赖于对半导体光物理学的基本理解以及对光催化机制在慢性创面复杂生理环境中的适应性调整。本节概述了PHE的基本原理，特别关注其在创面环境中的操作框架。

## 病理景观

PHE在糖尿病创面愈合中的治疗应用代表了从被动气体递送向主动、靶向和多功能干预的范式转变。该方法战略性地将半导体光催化的独特能量转换机制与糖尿病创面微环境的复杂病理生理学连接起来。PHE疗法的疗效极大程度上取决于两个核心因素：H?发挥治疗作用的生物学机制……

## 糖尿病创面愈合中的PHE疗法

通过与创面恶劣生物环境建立直接动态界面，PHE的治疗应用可有效超越糖尿病创面愈合的传统被动疗法。如上所述，糖尿病创面微环境的特征是一个以高血糖、慢性炎症和氧化应激为特征自我延续的病理系统。幸运的是，PHE疗法独特地定位于克服这一……

## 工程化光催化剂以提高愈合效率

除上述异质结构建外，多种额外的优化策略（主要包括引入空位、通过助催化剂负载形成肖特基结、形貌/结构工程和元素掺杂）也为先进光催化系统的设计提供了高效途径，在更高效的糖尿病创面愈合方面具有巨大潜力。每种优化策略都有其独特的机制优势和固有的局限性……

## 讨论与展望

PHE在促进糖尿病创面愈合方面的治疗效果并不仅源于氢的生物学活性，而是从根本上由半导体光催化剂物理化学性质的理性设计所决定。材料科学与治疗前景之间的有效连接取决于能带结构、载流子动力学和表面活性的精确设计，以与糖尿病创面的特定病理特征相衔接……

# CRediT作者贡献声明

Zelun Chen：撰写——初稿，数据整理。Xiaoyan Lei：撰写——初稿，数据整理。Guanqi Gan：撰写——初稿，数据整理。Shuyan Han：撰写——初稿，数据整理。Shishi Luo：监督指导。Zongcun Chen：监督指导。Qizhi Gao：监督指导。Jiadi Zhai：监督指导。Fan Yang：监督指导。Naihao Huang：监督指导。Xuanfa Li：监督指导。Jing Li：监督指导。Yonghao Xiao：监督指导。Yuhao Liu：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。

# 利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

# 致谢

本工作得到国家自然科学基金（22469007和82560103）、海南大学启动研究基金（KYQD(ZR)-21065和XJ2500008500）、海南大学热带海洋科学协同创新中心（XTCX2022HYC21和XTCX2022HYC05）、海南省卫生健康科技创新联合专项（WSJK2024MS182和WSJK2024MS200）以及首批"南海新星"产业创新计划的支持。

# 作者简介

Zelun Chen于2009年6月获得南通大学医学院学士学位。自2023年以来，他在安徽医科大学攻读外科学硕士学位。目前，他担任海南医科大学外科学讲师及海南医科大学第二附属医院心血管外科医疗组组长。他是中国医师协会体外循环分会全国委员会委员。

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