构建生物相容性纳米酶水凝胶：纳米酶催化与光热疗法的协同作用促进糖尿病伤口修复

《Journal of Colloid and Interface Science》：Engineering a biocompatible nanozyme hydrogel: Synergistic nanozyme catalysis and photothermal therapy for diabetic wound repair

　　

## 摘要

由于持续的氧化应激、慢性炎症、细菌感染和血管生成受损，慢性糖尿病创面构成了严峻的临床挑战。传统单一模式疗法往往无法同时解决这些相互交织的病理屏障，导致愈合不良和高截肢风险。在此，我们构建了一种生物相容的纳米酶整合水凝胶（XKPC），利用花状CuCo2O4纳米酶与聚多巴胺（PDA）之间的胶体界面协同作用，实现近红外增强的催化-光热联合疗法，用于感染性糖尿病创面的治疗。该水凝胶纳入了具有四重酶模拟活性的丝瓜络状CuCo2O4纳米酶，包括葡萄糖氧化酶模拟（GOx）、过氧化物酶模拟（POD）、超氧化物歧化酶模拟（SOD）和过氧化氢酶模拟（CAT），这些活性可启动级联反应以调节葡萄糖、消除活性氧（ROS）并产生氧气。在近红外照射下，聚多巴胺进一步增强了抗菌效果和催化活性。该系统可稳定粘附于创面，实现有效消除细菌，促进血管生成，并驱动巨噬细胞从M1向M2极化，从而重建促愈合微环境。体内结果证实了糖尿病大鼠全层创面闭合的加速，表明其在治疗糖尿病创面及其他氧化应激和感染相关疾病方面具有良好潜力。

## 引言

糖尿病创面是一种危及生命的并发症，影响全球约5.37亿糖尿病患者[1],[2]。约25%的患者因创面陷入"高血糖-细菌感染-活性氧（ROS）积累-慢性缺氧"的病理耦合困境[3],[4],[5],[6]，最终导致截肢甚至死亡。在创面愈合的炎症期，高血糖引发过量ROS的产生，创面区域血管不足所致的缺氧微环境也成为ROS异常升高的关键因素[7],[8],[9]。越来越多的证据证实，过量ROS通过两条途径加剧创面损伤：诱导强烈的炎症反应和抑制血管生成，两者共同导致创面组织的继发性损伤并放大整体病理损害[10],[11]。专为糖尿病皮肤创面设计的敷料与传统创面护理产品相比，需要显著增强的功能性能。这主要表现为强抗氧化性能和强效抑菌能力，以改善慢性糖尿病创面的不健康微环境[12],[13],[14]。现有产品在同时应对多种病理交互方面存在局限性，因此无法完全满足综合治疗需求。因此，开发一种整合葡萄糖调节、高效抑菌、ROS清除和氧化应激损伤缓解等功能的治疗系统，同时能动态响应创面微环境，已成为突破糖尿病创面治疗瓶颈的核心需求[15],[16]。

三维交联聚合物网络水凝胶凭借其高保水性、可定制的孔隙微结构和良好的生物相容性，性能优于医用纱布和泡沫垫等传统创面敷料。此类水凝胶可在创面维持湿润微环境，吸收创面渗出液，模拟天然细胞外基质（ECM）的结构特征，并作为载体负载生物活性成分以调节细胞增殖和迁移[17],[18],[19]。特别是组织粘附水凝胶引起了广泛的研究兴趣，因为它们能紧密附着于不规则的糖尿病创面床，在更换敷料时不会造成二次损伤，这是非粘附性预制水凝胶材料的显著优势[20],[21]。然而，大多数现有粘附水凝胶生物材料仅作为物理创面屏障或简单药物递送载体发挥作用，无法同时减轻活性氧（ROS）的过度积累和缓解持续的炎症微环境，而后两者主导着糖尿病创面的病理进展，从而削弱了其整体修复能力[22],[23]。得益于纳米材料和催化生物医学的快速发展，具有固有多样酶模拟催化活性的纳米酶引起了广泛的研究兴趣。与自然生物酶相比，纳米酶具有独特的优势，涵盖多种催化功能、稳健的生物化学稳定性、可调的催化性能和可扩展的合成制备路线[24],[25],[26]。

具体而言，糖尿病创面中过度产生的ROS主要是超氧阴离子自由基（O2?•）和过氧化氢（H2O2），它们可分别由超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）催化生成分子氧（O2）。然而，纳米酶在糖尿病创面治疗中面临聚集、体内快速清除和创面催化活性不稳定等挑战。将纳米酶封装在水凝胶基质中可以解决这些问题，提供生物相容的载体以固定纳米酶，延长其在创面的存在时间，增强催化稳定性，并将水凝胶的结构优势与纳米酶的治疗特性相结合。这种ROS清除能力与纳米酶辅助葡萄糖调节和抑菌的潜力相结合，使它们能够靶向糖尿病创面的多个病理环节，与上述提出的综合治疗需求完美契合。表现出SOD、CAT、GOx和POD模拟活性的多样酶模拟纳米酶协调连续的催化级联，以消除过量ROS、产生氧气、代谢病理性葡萄糖并增强抗菌性能。这些纳米酶专门针对不愈合糖尿病创面典型的高血糖、缺氧和氧化应激驱动的恶劣微环境。纳米酶-水凝胶组合系统提供了一种克服当前治疗挑战的有前景的方法，促进对糖尿病创面微环境的靶向和全方位修饰，显著改善困难糖尿病创面的临床结果。

受糖尿病皮肤创面的病理生理微环境和湿润人体皮肤作为生物模拟材料基础的启发，我们提出了一种多功能形状自适应水凝胶敷料，具有双重级联纳米酶催化效应，用于加速糖尿病创面愈合。基于三维纳米花状CuCo2O4纳米粒子和XG-KGM-PDA-CuCo2O4（XKPC）复合水凝胶，该系统整合了分级结构介导的抗菌活性和酶级联调节。三维纳米花状结构具有高比表面积和丰富的孔隙，有助于细菌吸附并暴露Cu/Co活性位点，赋予其四重酶模拟活性（GOx模拟、POD模拟、SOD模拟、CAT模拟），形成双重级联催化系统（"GOx-POD"和"SOD-CAT"）。在酸性糖尿病创面微环境的触发下[27],[28]，水凝胶启动自我循环疗法：GOx模拟活性降低局部葡萄糖，POD模拟活性利用产生的H2O2实现抗菌效果，而SOD和CAT模拟活性通过将超氧阴离子自由基（O2?•）转化为H2O2，再转化为O2和H2O来清除ROS并改善缺氧[29],[30]。这解决了糖尿病创面的四个核心病理问题，并支持创面愈合的过渡。核心创新在于利用分级纳米酶双重级联催化，对糖尿病创面的病理耦合进行精确干预，为难治性糖尿病创面提供了新策略，并为多功能材料提供了参考。

## 章节片段

**CuCo2O4纳米粒子的合成**

CuCo2O4纳米粒子通过简单的自下而上的水热法合成。简要地，将0.002 mol Cu(NO3)2·6H2O、0.004 mol Co(NO3)2·6H2O和0.006 mol尿素溶解在30 mL蒸馏水中。然后将混合溶液转移至密封高压釜中，在120 °C下保持12小时。冷却至室温后，收集CuCo前驱体，并用蒸馏水洗去残留物。所得产品在预热至60 °C的烘箱中干燥3小时。

**CuCo2O4纳米粒子和XKPC水凝胶的结构表征与性能**

为了阐明CuCo2O4纳米粒子和XKPC复合水凝胶的结构-功能关系，通过互补技术对其形貌、晶体结构、化学成分和关键功能特性进行了全面表征。结果展示在图1和S1–S3中。扫描电子显微镜（SEM）图像（图1Aa）显示，CuCo2O4纳米粒子形成了由片状亚单元交织组装的三维纳米花状分级结构。这种架构

## 结论

我们制备了一种多功能XKPC纳米酶水凝胶，整合了花状CuCo2O4四重模拟纳米酶和PDA。与许多仅依赖级联催化效应的现有纳米酶创面敷料不同，本研究突出了两项关键进展：水凝胶中花状CuCo2O4与PDA之间的胶体-界面协同设计，以及近红外激活的光热-催化偶联，用于全面的病理微环境重编程

**CRediT作者贡献声明**

Jun Zhang：验证、资金获取、数据管理、方法学、撰写——初稿、撰写——审阅与编辑。Xinli Guo：撰写——初稿、验证、数据管理、形式分析、方法学、撰写——审阅与编辑。Dongying An：撰写——初稿、验证、数据管理、形式分析、方法学、撰写——审阅与编辑。Xiaoxi Liu：调查。Xi Yu：监督。Shuangshuang Yan：调查。Jian Wu：调查。Weijia Li：数据

**发表同意**

不适用。

**动物实验**

本研究中的所有动物实验均经天津金科博纳生物科技有限公司动物伦理与福利委员会审查和批准。所有动物操作均遵守国家关于实验动物福利和伦理的规定。本工作中未进行任何与人类受试者相关的实验。

**资金**

本研究获得沈阳科技人才专项（RC230022）、辽宁省应用基础研究基金（2025JH2/101330098）、沈阳市优秀中青年科学家基金（RC240575）、辽宁省自然科学基金联合基金（2023-MSLH-288、2024-MSLH-451）、沈阳医学院项目（SYKT2025004）和沈阳医学院科技创新基金项目资助

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能对本研究报告的工作产生影响。

**致谢**

作者感谢天津金因生物科技股份有限公司（Tianjin GENINK BIOSCIENCE Co., Ltd.）提供的体内实验分析技术协助。作者感谢沈阳科技人才专项（RC230022）、辽宁省应用基础研究基金（2025JH2/101330098）、沈阳市优秀中青年科学家基金（RC240575）、辽宁省自然科学基金联合基金（2023-MSLH-288、2024-MSLH-451）和沈阳

Jun Zhang|Xinli Guo|Dongying An|Xiaoxi Liu|Xi Yu|Shuangshuang Yan|Jian Wu|Weijia Li|Guannan Wang|Yang Zhang