《Bioactive Materials》：Engineering bioactive citrate-based hydrogels for wound repair: From structure-function design to microenvironmental regulation
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慢性难愈性创面以持续感染、慢性炎症和血管新生缺陷的复杂微环境为特征，对再生医学构成了重大挑战。基于柠檬酸的化学体系凭借其多功能的交联化学和固有的代谢生物活性，已成为工程化生物指导性材料的前沿平台。本综述全面评估了由柠檬酸基聚合物（citrate-based p
慢性难愈性创面以持续感染、慢性炎症和血管新生缺陷的复杂微环境为特征，对再生医学构成了重大挑战。基于柠檬酸的化学体系凭借其多功能的交联化学和固有的代谢生物活性，已成为工程化生物指导性材料的前沿平台。本综述全面评估了由柠檬酸基聚合物（citrate-based polymers, PC）构建的水凝胶（PC水凝胶）作为高性能伤口调理治疗工具包的作用。以皮肤愈合级联的生物学需求为指导，研究人员阐述了PC水凝胶的网络构建机制和结构-功能关系，以及其调控伤口微环境的分子机制。在此基础上，提出了PC水凝胶的模块化分类，涵盖抗菌、抗氧化和促血管生成等七种功能范式，重点关注其结构-性能-功能关系。最后，指出了临床转化中现存的瓶颈，并对下一代PC平台提出了战略性展望，强调精准设计、通过多组学阐明机制以及标准化制造。本工作旨在推动智能化、可转化的PC创面敷料用于复杂组织修复的发展。
1. 引言
正常皮肤是抵御外界刺激的首要屏障，并参与体温调节、水电解质稳态、环境感知和免疫防御。伤口愈合通常经历止血、炎症、增殖和重塑四个重叠阶段。然而，难愈性创面常伴有大量组织缺损、严重微生物污染或糖尿病等代谢性疾病，细菌感染、氧化应激与持续炎症的恶性循环以及血管新生受损，显著阻碍了炎症期间增殖期的转变。目前商业敷料虽已从传统被动材料发展为生物活性功能系统，但多数仍存在组成简单、生物活性有限的不足。水凝胶因具有优异的保湿性、可调的机械性能、良好的生物相容性和多功能生物活性而备受关注。在众多可生物降解聚合物中，柠檬酸基聚合物（PCs）因其内源性多功能生物活性和可调的可降解聚酯网络而受到越来越多的关注。柠檬酸（CA）作为三羧酸（TCA）循环的内源性代谢产物，在细胞代谢、钙螯合和骨组织稳定中发挥重要作用。本综述旨在系统总结和批判性评估PC基生物活性水凝胶在伤口修复中的应用。
2. 伤口愈合微环境及治疗策略
2.1 皮肤结构与伤口愈合过程
皮肤由表皮、真皮和皮下组织三层构成。表皮由不同分化阶段的角质形成细胞组成，含角质层、透明层、颗粒层、棘层和基底层，维持屏障功能和免疫防御。真皮包含成纤维细胞、内皮细胞、干细胞等多种细胞及丰富的血管、神经和脂肪组织。皮下组织主要由弹性脂肪和结缔组织构成。伤口愈合可分为止血、炎症、增殖和重塑四个连续重叠的阶段。止血阶段通过血管收缩、初级止血和次级止血形成富含纤维蛋白的凝块。炎症阶段由中性粒细胞和巨噬细胞清除坏死组织和病原体。增殖阶段涉及成纤维细胞、角质形成细胞和内皮细胞的协调作用，促进肉芽组织形成、血管新生和再上皮化。重塑阶段中，成纤维细胞分化为表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）的肌成纤维细胞，基质金属蛋白酶（MMPs）选择性降解紊乱的胶原纤维，皮肤逐渐恢复结构和功能完整性。
2.2 伤口愈合的障碍
急性伤口通常在4-12周内愈合，而慢性伤口（如感染性伤口、糖尿病溃疡和压疮）因感染和基础疾病而愈合受阻。外在病理因素中，细菌感染是主要障碍，细菌在创面形成生物膜，抵抗免疫清除，导致过度炎症与氧化应激的恶性循环。氧供、温度、湿度等外部因素也影响修复进程。宿主内在因素中，糖尿病高血糖加剧氧化应激并促进巨噬细胞向促炎M1表型极化，营养不良和衰老削弱修复相关细胞的代谢活性和增殖迁移能力，免疫相关疾病进一步加剧局部免疫失调。
2.3 当前治疗策略的主要局限性
目前伤口感染常采用清创联合抗生素治疗，但耐药菌的出现显著削弱了常规药物治疗效果。现有水凝胶材料在分子设计层面缺乏动态响应性可逆键与关键功能组分的整合；在生物功能层面，多数水凝胶缺乏代谢调节、抗炎、抗氧化和血管新生的协调整合；在智能监测方面，灵敏度与可靠性仍有待提高；机制研究也尚不充分，尤其是材料介导的修复很少从能量代谢角度进行研究。
3. PC水凝胶的分子设计、网络构建与结构-性能关系
3.1 PCs的合成与功能化
3.1.1 柠檬酸概述
柠檬酸（CA）是一种广泛存在于柑橘类水果中的小分子有机酸，是TCA循环的关键中间体。其分子含有三个羧基和一个羟基，可发生酯化、酰胺化和金属配位反应。柠檬酸具有抗菌、抗氧化、生物能量调节、免疫调节和促血管生成等多重生物活性，可通过激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）-Akt通路促进血管内皮生长因子（VEGF）和成纤维细胞生长因子（FGF）上调。
3.1.2 PCs的制备
PCs通常通过CA与醇类的高温熔融酯化合成。经典的聚(1,8-辛二醇-共-柠檬酸)（POC）弹性体可通过热后缩聚调节交联密度，实现力学性能的精确调控。引入亲水性聚乙二醇（PEG）可制备水溶性PCs，如聚(1,8-辛二醇-柠檬酸-聚乙二醇)（POCG）。Ameer和Yang等开发的POC-羟基磷灰石复合材料"Citregen"已被转化为多个FDA批准的医疗器械。
3.1.3 PCs的功能化修饰
PCs的化学修饰策略主要分为主链修饰和侧链修饰。主链修饰涉及烯烃和姜黄素功能化。烯烃修饰通过引入马来酸酐等不饱和单体赋予光交联能力，可与3D打印结合制备可降解血管支架，或与N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）共聚获得温敏性PCs。姜黄素修饰通过酚羟基参与熔融酯化引入抗氧化和抗炎功能。侧链修饰包括氨基酸修饰（赋予荧光特性）、多巴胺修饰（赋予湿组织粘附和抗氧化活性）、硅氧烷修饰（增强力学性能和成骨活性）、聚胺修饰（通过静电相互作用负载基因和药物）以及其他修饰（如NHS修饰、苯硼酸修饰、苯胺四聚体/六聚体修饰、抗坏血酸接枝等）。
3.1.4 不同修饰策略在伤口修复中的比较
生物活性修饰包括氨基酸、姜黄素和多巴胺功能化，主要引入内在生物线索以调节氧化还原平衡、免疫应答和抗菌活性。姜黄素和多巴胺修饰可直接缓解氧化应激、抑制过度炎症并增强抗菌性能，尤其适用于感染性伤口。结构/递送导向修饰（硅氧烷、聚酰胺、烯烃）主要扩展PC水凝胶的应用适应性。硅氧烷修饰提供结构稳定性和再生相关功能；聚酰胺修饰引入抗菌能力和多功能界面；烯烃功能化作为可编程平台，调控水凝胶形成和治疗因子递送。
3.2 PCs的物理化学和生物学性能
3.2.1 PCs的物理化学性能
PCs具有可调的力学性能、生物降解性和固有荧光。POC弹性体最大拉伸强度达6.1 MPa，杨氏模量0.92-16.4 MPa，断裂伸长率可达265%。通过点击化学双交联可将拉伸强度提高至41.32 MPa。PCs的生物降解性源于网络结构中酯键的水解断裂，可通过单体比例和后缩聚条件调节。PCs的固有荧光分为氨基酸修饰体系的共轭环发射、硅氧烷修饰体系的缺陷相关发射和非共轭体系的簇聚发射三类。
3.2.2 PCs的生物学性能
PCs具有良好生物相容性，降解产物为低分子量柠檬酸片段，可参与代谢调节。PC骨架和网络结构通过影响氧化还原平衡、免疫稳态和组织再生提供内在调节作用。丰富的官能团使PCs可整合生物活性基团或治疗组分，已在骨、软骨、皮肤、神经和血管再生中广泛探索。
3.3 PC水凝胶的网络架构与性能调控
根据主导交联相互作用，PC水凝胶可分为共价交联网络、热敏物理交联网和多功能多交联网络。共价交联网络通过不饱和基团的自由基聚合或化学选择性偶联形成，提供结构稳定性和可预测的降解行为。代表体系包括PEGMC网络和硫醇化PC/PEG-马来酰亚胺网络。热敏物理交联网络基于可逆的温度触发物理缔合，具有可注射和原位凝胶特性，代表体系为PPCN基系统和含F127或EPE的PC系统。杂化多交联网络结合永久共价键、动态共价键和物理缔合，永久键提供结构完整性，可逆相互作用促进应力耗散和网络重组，代表体系包括PMEAC、SFPC和TE-CMBAs等。
3.4 PC水凝胶调控伤口微环境的机制
PC骨架及其降解产物是内在活性的基本来源。柠檬酸可通过钠偶联柠檬酸转运体SLC13A5被细胞摄取，经ATP柠檬酸裂解酶转化为乙酰辅酶A和草酰乙酸。PC骨架本身的直接抗菌活性有限，需依赖外源性抗菌组分的协同作用。抗氧化组分可清除活性氧（ROS）并阻断氧化应激-炎症循环。PC水凝胶可通过减少氧化和炎症约束改善伤口微环境，并通过固定粘附肽、持续释放趋化因子和递送促血管生成金属离子实现特异性血管生成调节。然而，当前研究存在若干局限性：聚合物骨架、功能修饰、负载物和网络性能的各自贡献难以分离；ROS、细胞因子和组织学指标的变化不能确立通路级因果关系；柠檬酸释放与细胞生物能量学之间的联系缺乏同位素示踪和代谢流分析支持。
3.5 PC水凝胶的设计原则与表征标准
PC水凝胶的开发应以基体化学、降解行为、网络力学和治疗递送的协调设计为指导。未来的表征框架应涵盖分子组成、网络行为、释放动力学和生物学性能，包括聚合物组成、分子量分布、功能化效率、交联程度、孔隙结构、溶胀、粘附、流变学、应力松弛、降解行为以及柠檬酸释放、pH变化和离子结合的时间分辨测量。
3.6 PC水凝胶在多功能伤口修复中的优势
与透明质酸、壳聚糖、明胶衍生物等天然聚合物及聚乙烯醇（PVA）和PEG等合成聚合物相比，PC水凝胶在单一聚合物平台内整合了柠檬酸相关生物活性、可水解降解主链和易得的反应性基团，羧基和羟基支持共价偶联、金属配位和非共价负载。
4. 用于伤口愈合的生物活性PC水凝胶
根据PC在水凝胶网络中的结构作用，可分为PC主导型水凝胶和PC整合复合型水凝胶。根据主要功能，PC水凝胶可分为止血、抗菌、抗氧化、抗炎、促血管生成、代谢增强和智能响应七类。
4.1 止血PC水凝胶
PC水凝胶粘合剂主要通过强组织粘附实现止血。Mehdizadeh等通过CA、PEG和多巴胺的熔融共聚开发了可注射柠檬酸基贻贝仿生生物粘合剂（iCMBAs），湿粘附强度达123.2 kPa，约为纤维蛋白胶的8倍。Guo等引入铜催化叠氮-炔环加成和PI氧化双重交联，获得最大湿粘附强度223.11 kPa的产品。Lu等使用氧化镁（MgO）纳米颗粒作为多功能交联节点构建低溶胀组织粘合剂（iC-EPE/MgO），湿粘附强度达125 kPa，机械强度达4.5 MPa。TA介导的3A-TCMBA粘合剂和HRP/H2O2体系也实现了快速止血和无缝线伤口闭合。
4.2 抗菌PC水凝胶
抗菌PC水凝胶分为共价功能化体系和物理负载体系。Xie等通过EDC/NHS偶联将抗菌肽（AMPs）接枝到PEGMC上，经自由基聚合制备iFABH水凝胶，有效抑制金黄色葡萄球菌生长。Zhang等将ε-多聚赖氨酸（EPL）接枝到PC主链并引入双键，制备了CBGCT水凝胶，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的表面接触抗菌效率接近100%。Cheng等将EPL接枝到F127上获得FE抗菌聚合物，与PCGS共混形成FEPCGS水凝胶，对包括MRSA在内的多种细菌具有>99.99%的广谱抗菌活性。
4.3 抗氧化PC水凝胶
Luo等将多巴胺接枝到PCG侧链并在明胶甲基丙烯酰（GelMA）基质中光交联获得GPDF水凝胶，其抗氧化能力接近L-抗坏血酸。Wang等将泛醇引入PPCac聚合物并与NIPAM共聚获得PC-PPCN水凝胶，在ABTS自由基清除、β-胡萝卜素漂白和Fe2+螯合试验中表现出强抗氧化性能，5分钟内Fe2+螯合率约达90%。Xie等通过阿魏酸修饰F127与PCG的氢键结合形成FPSa-PCG水凝胶，显著增强DPPH自由基清除并降低细胞内ROS水平。
4.4 抗炎水凝胶
PCs具有内在抗炎活性，POCG可降低肿瘤坏死因子-α（Tnfα）、白细胞介素-1β（Il1β）和白细胞介素-6（Il6）表达，促进巨噬细胞向M2抗炎表型极化。Leng等将天然多酚姜黄素引入POCG获得PCGC聚合物，通过NF-κB信号通路下调促炎细胞因子表达。Xue等将铁死亡诱导剂erastin负载于PCGC聚合物胶束并整合入F127基质形成CCE水凝胶，通过JAK1/STAT3通路促进M2极化。Liu等通过酰胺键将布洛芬共价接枝到PC上获得PCEI，促进M2巨噬细胞比例从0.8%升至22.3%。
4.5 促血管生成PC水凝胶
柠檬酸通过激活PI3K-Akt信号通路促进血管生成。Luo等开发了阿仑膦酸修饰的POCG聚合物，与海藻酸钠和Gd3+配位构建SGPA水凝胶，Gd3+与CA协同增强VEGF和CD31表达。Cu2+与1,3,5-苯三甲酸配位形成金属有机框架HKUST-1并入PPCN获得H-HKUST-1水凝胶，实现Cu2+的安全浓度持续释放，糖尿病创面中血管数量增加近5倍，微血管密度达54.0±14.4条/mm2。
4.6 代谢增强PC水凝胶
PCDO-Co水凝胶通过Co2+、氧化透明质酸（OHA）和多巴胺功能化PC（PCDA）之间的席夫碱、氢键和配位作用形成，可增强线粒体膜电位和细胞内ATP水平。SFPC水凝胶通过PCGC聚合物、丝素蛋白和钴离子的酶介导交联制备，JC-1分析显示线粒体功能激活的细胞比例从21.78%升至32.02%，ATP产量增加1.59倍。CEH水凝胶可逆转高糖诱导的代谢重编程，通过细胞内乳酸、ATP、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、柠檬酸和α-酮戊二酸的定量分析得到验证。
4.7 智能响应PC水凝胶
温度响应系统利用室温（约25°C）与皮肤表面温度（约37°C）之间的温差实现原位热凝胶化。PPCN在37°C发生溶胶-凝胶转变，可负载基质细胞衍生因子-1（SDF-1）实现持续释放。点击化学接枝层粘连蛋白衍生肽A5G81的PPCN-A5G81水凝胶可促进整合素介导的细胞粘附、增殖和迁移。Fu等通过Fe3+介导的含钙聚(柠檬酸-EPE-DA)前体配位开发了系列温敏生物粘合剂，可在近红外照射下发挥抗菌和抗肿瘤作用。pH响应系统中，TA-Eu3+配位网络在糖尿病创面局部弱酸性微环境中加速解离，促进Eu3+释放。CBCGT水凝胶含有苯硼酸功能化PC、瓜尔胶和Cu@TA纳米片，通过pH/ROS响应的硼酸酯键实现感染条件下按需释放。
4.8 PC水凝胶的比较设计权衡与创面特异性选择
感染性创面优先需要快速细菌清除和生物膜破坏，含抗菌剂、金属离子或感染响应释放机制的复合PC水凝胶更为合适。糖尿病创面需要持续协调的抗氧化、免疫调节、促血管生成和代谢调节功能，pH、ROS或酶响应机制可进一步适应局部病理状态。烧伤创面需要适形覆盖、保湿和渗出物管理，快速凝胶化或温敏PC水凝胶更为有利。全层皮肤缺损更强调力学完整性、细胞浸润和血管化，PC主导型网络可能提供更直接的控制。
5. 结论与展望
5.1 结论
PC水凝胶的优越性源于四个协同要素：分子多功能性（丰富的侧基官能团实现精确模块化功能化）、生物力学可裁剪性（可编程交联密度实现与天然组织的力学匹配）、代谢相容性（水解降解为非毒性柠檬酸中间体并参与细胞代谢）以及多阶段调控（固有的抗氧化、抗菌和生物能量特性）。
5.2 未来展望
PC水凝胶向临床转化面临可靠制造、灭菌工艺、残留单体和交联剂控制、降解产物安全性、临床价值验证以及监管规划等实际挑战。未来研究应聚焦六个方向：（1）通过官能团保护或位点特异性催化实现结构明确的近线性高分子量PC合成；（2）利用多组学和高分辨率成像阐明柠檬酸通量调节细胞生物能量学和表观遗传景观的分子机制；（3）通过整合刺激响应基序或生物正交化学实现抗菌、抗炎和促血管生成信号的时空程序化释放；（4）开发可实时监测pH、ROS或特异性蛋白酶的生物集成传感模块与反馈控制递送系统；（5）利用机器学习和人工智能建立数据驱动的结构-性能-功能模型，加速最优PC配方发现；（6）简化合成路线并建立符合药品生产质量管理规范（GMP）的标准化制造工艺，通过全面生物相容性评价和长期安全性评估推进监管审批。
