用于糖尿病伤口治疗的可注射形状自适应抗菌纤维素水凝胶

《Carbohydrate Polymers》：Injectable shape-adaptive cellulose hydrogel with antibacterial activity for diabetic wound therapy

　　糖尿病慢性伤口长期处于持续细菌感染和慢性炎症的困境中，严重阻碍了组织再生。然而，开发能够同时提供有效抗菌功能和可靠生物安全性的水凝胶敷料仍是一项重大挑战。本文报道了一种通过内源性组氨酸配体与低毒性Ce3?之间的动态配位构建而成的形变适配抗菌水凝胶敷料，用于感染性糖尿病伤口的修复。将组氨酸共价接枝到羧甲基纤维素上得到组氨酸修饰的羧甲基纤维素（CMC-His），通过与硝酸铈溶液简单混合即可快速形成水凝胶。Ce3?与纤维素链上羧基、羟基和咪唑基之间的可逆配位赋予了该水凝胶卓越的注射性、快速自愈合和形变适配能力，使其能够贴合不规则伤口腔隙进行填充。此外，该水凝胶对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）表现出抗菌活性（杀菌率超过99.99%），主要通过破坏细菌膜完整性实现。值得注意的是，该水凝胶具有良好的细胞相容性，且在主要器官中未表现出全身毒性。重要的是，该水凝胶通过减少细菌负荷、缓解炎症和促进组织重塑，可显著加速感染性糖尿病伤口的愈合。总体而言，这种简单安全的策略为抗菌及高端敷料设计提供了有前景的平台，适用于感染性糖尿病伤口的愈合。糖尿病已成为全球最常见的慢性疾病之一，给公共卫生和医疗系统带来了沉重负担（Li et al., 2025; Sun et al., 2022; Zhang et al., 2023）。糖尿病伤口，尤其是糖尿病足溃疡（DFUs），是一种频繁且严重的并发症，影响约20%的糖尿病患者，并带来高感染风险、愈合延迟和截肢风险（Pan et al., 2025; Yang et al., 2025）。与急性伤口不同，糖尿病伤口表现出高度失调的微环境，其中细菌过度生长和持续性炎症相互加剧，导致过度炎症浸润、促炎细胞因子的持续表达以及组织再生受损（Han & Ceilley, 2017; Wei et al., 2021）。因此，有效的细菌抑制和及时的炎症消退对于慢性糖尿病伤口的管理至关重要。此外，感染性糖尿病伤口常呈现不规则几何形状和深层腔隙，传统片状敷料往往无法贴合填充并密封这些缺陷，导致渗出液积聚和细菌持续存在，从而加剧炎症（Li et al., 2024; Li, Fu, et al., 2022）。可注射水凝胶能够微创给药并贴合填充不规则缺陷，为糖尿病伤口提供了多样化的平台（Xie, Shi, et al., 2024; Yu et al., 2019）。因此，开发集贴合填充与有效感染控制于一体的可注射水凝胶敷料对于治疗感染性糖尿病伤口具有重要意义。金属配位水凝胶近来作为多功能伤口敷料受到广泛关注。动态配位键可赋予水凝胶快速注射性和自愈合能力，同时通过相关金属离子赋予其广谱抗菌能力（Darabi et al., 2017; Zhao et al., 2025）。多种无机金属离子（如Ag、Zn、Au、Cu、Mg）及其金属氧化物纳米颗粒不仅表现出广谱抗菌活性，还具有多样的生物功能，如Cu2?促进血管新生（Liang et al., 2022; Zhu et al., 2023）。与此同时，多糖因其卓越的生物相容性、可修饰性和仿生细胞外基质特性而被广泛用作水凝胶骨架（Chen, Li, et al., 2025; Zhang et al., 2019）。因此，大多数金属配位水凝胶由透明质酸和海藻酸钠等多糖框架构建，其中引入强螯合基团，包括双膦酸盐、酰肼和基于硫脲的配体，以与Cu2?和Ag?等抗菌金属离子配位形成动态交联网络（Meng et al., 2024; Qian et al., 2022; Shi et al., 2018）。例如，Meng等人（2024）报道了一种基于硫脲修饰的透明质酸（HA）与Ag?配位超快胶凝、动态交联的水凝胶，其中快速配位交联实现了注射性和自愈合并提供抗菌活性。然而，现有系统存在显著局限。高浓度Ag?/Cu2?会诱导细胞毒性，并可能在长期使用中在体内蓄积，导致皮肤染色或全身毒性（Weiguo et al., 2018）。非内源性配体如硫脲和酰肼存在潜在的致突变风险，其代谢途径和长期生物安全性需要进一步评估（Kumar et al., 2023; Li, Wu, et al., 2022）。现有金属水凝胶敷料的抗菌活性与生物安全性之间的协同优化仍然是一项挑战。因此，开发更贴近生理系统的金属配位水凝胶，调节抗菌和抗炎微环境，有望提高治疗感染性糖尿病伤口的疗效和安全性（Chen, Lin, et al., 2025; Du et al., 2022; Jiang et al., 2023）。组氨酸（His）作为典型的内源性氨基酸，与人体的代谢途径相容，其咪唑环在金属酶和金属蛋白的活性中心中普遍存在（Xiong et al., 2023）。由于其适当的配位强度和多位配位结合能力，组氨酸可以在维持网络稳定性的同时实现可逆键交换（Xu et al., 2021）。在稀土离子中，选择Ce3?是因为相比La3?和Nd3?，它在相关系统中表现出更优异的抗菌效力（Kostova et al., 2005），并且与组氨酸具有适当的配位亲和力，可形成稳定但可逆的动态网络用于可注射应用。Han等人（2024）证明，基于铈的水凝胶在骨缺损模型中通过调节巨噬细胞极化加速血管新生和胶原沉积，证实了其伤口愈合潜力。因此，组氨酸-铈离子系统通过内源性配体与低毒性稀土离子的协同相互作用，有望克服现有金属配位水凝胶的生物安全性局限，为糖尿病伤口治疗提供了一种新策略。我们假设，由组氨酸修饰的纤维素与铈离子配位形成的水凝胶表现出优异的注射性和形变适配性，能够完全填充不规则的伤口腔隙。此外，铈离子的引入可以增强抗菌活性，而不会显著增加毒性，从而促进糖尿病伤口愈合。在此，针对感染性糖尿病伤口中的细菌感染，通过组氨酸修饰的羧甲基纤维素（CMC-His）与硝酸铈溶液的简单物理混合，制备了一种具有优异注射性、广谱抗菌性能和抗炎能力的水凝胶敷料，以促进糖尿病伤口修复。所得CMC-His-Ce水凝胶通过铈离子与CMC-His分子链上羧基、羟基和咪唑基之间的动态配位交联形成稳定的三维网络，从而赋予其优异的注射性、快速自愈合和卓越的形状适应性。本研究结果表明，该水凝胶对E. coli以及包括MRSA在内的S. aureus表现出可观的抗菌效果。抗菌活性归因于铈离子破坏细菌膜完整性，导致细胞内氧化应激。细胞相容性试验证实，水凝胶提取物在L929小鼠成纤维细胞（L929）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中均能维持细胞活力高于90%，显示出良好的生物相容性。在糖尿病小鼠全层伤口模型中，该水凝胶通过减少细菌负荷、减轻炎症反应和刺激胶原沉积，显著加速了伤口闭合。总之，本研究提出了一种工程化纤维素基金属配位水凝胶敷料的新策略，该敷料集成了高形变适配性和有效的伤口修复能力。该研究表明此类敷料作为感染性糖尿病慢性伤口高级疗法的广泛应用前景。羧甲基纤维素（CMC，CAS 9004-32-4，纯度：99.9%，粘度：2500–4500 mPa·s，Mw = 700,000，DS = 0.9），2-吗啉乙磺酸（MES，纯度：99%），N-(3-二甲氨基丙基)-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC，纯度：98%），N-羟基琥珀酰亚胺（NHS，纯度：98%），L-组氨酸（L-His，纯度：99%）和硝酸铈六水合物（Ce(NO?)?·6H?O，纯度：99.9%）由阿拉丁试剂股份有限公司（中国上海）提供。其他化学试剂为分析纯。简言之，将CMC（2.5 g）溶解于MES缓冲液中……首先，通过碳二亚胺介导的酰胺化反应合成了CMC-His偶联物，其中L-组氨酸（L-His）共价接枝到CMC骨架上（图S1）。CMC、L-His和CMC-His的化学结构通过1H NMR表征。如图S2a所示，L-His在6.87 ppm和7.57 ppm处表现出双重特征信号，分别对应咪唑环结构中–NCH=C–（a）和–N=CH–（b）基团的质子（Hu et al., 2013）。总之，成功开发了一种用于治疗慢性糖尿病伤口的新型动态配位水凝胶敷料。该敷料基于组氨酸和稀土离子。水凝胶通过简单物理混合制备，通过Ce3?与CMC-His链上羧基、羟基和咪唑基之间的多位配位形成三维网络。该动态网络已被证明赋予水凝胶多项优势特性，……**Jingming Zhong：** 撰写——初稿，资源，调查，形式分析，数据整理。**Xin Wang：** 调查，数据整理。**Jing Li：** 验证。**Zijie Wang：** 验证。**Ze Chen：** 形式分析。**Zhengjie Yu：** 方法论。**Yuhe Wu：** 方法论。**Ruizi Wang：** 方法论。**Zheng Wang：** 撰写——审阅与编辑，资金获取，形式分析。**Qingfeng Sun：** 项目管理，形式分析。**Xiaoping Shen：** 可视化，资源，形式分析。**Hongxia Xie：**本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南以及以下动物福利和/或报告指南进行：《实验动物的关怀和使用》。本研究经中南大学湘雅医院实验动物福利伦理委员会批准。（批准号：ZN2025173）作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。