《CEJ》武汉协和医院刘国辉：双层水凝胶实时监测感染并促糖尿病伤口愈合！

研究概述

糖尿病创面因高血糖导致的慢性炎症、血管新生障碍和细菌感染（感染率50-60%）而难以愈合，常发展为慢性溃疡甚至截肢。传统敷料仅被动覆盖创面，无法同时解决感染监测、免疫调节和血管再生三大关键问题。

尽管已有研究利用水凝胶、干细胞外囊泡（sEVs）或天然活性成分（如花青素）分别针对感染控制、巨噬细胞极化（M2型）或促血管生成，但缺乏整合诊断与治疗功能的系统性设计，且糖尿病创面愈合速度仍显著低于非糖尿病创面。

基于此，本研究团队构建了一种名为“Tri-Act”的双层智能水凝胶敷料（AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR），上层利用富含花青素的桑葚提取物实现创面感染的可视化pH监测，下层装载miR-210-3p工程化小细胞外囊泡（sEVsmiR），通过pH响应释放协同发挥抗菌、抗氧化、缓解内质网应激、促进巨噬细胞M2极化和血管新生等多重作用，显著加速糖尿病感染创面愈合，效果优于传统治疗，为糖尿病创面管理提供了新的诊疗一体化策略。

AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR制备过程及其促进伤口愈合的作用示意图

相关研究成果以“Mulberry-inspired tri-act hydrogel for visual monitoring and enhanced diabetic wound repair”为题，发表在《Chemical Engineering Journal》（中科院医学1区/IF 13.2）。华中科技大学同济医学院附属协和医院刘国辉、华中科技大学同济医学院附属协和医院薛航、华中科技大学同济医学院附属协和医院刘梦非、重庆大学生物工程学院冯茜为其共同通讯作者。

图文结果

本研究构建了一种“Tri-Act”双层水凝胶敷料（AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR），上层为含桑葚花青素提取物（MFE）的海藻酸/醛化透明质酸（AlgHA-MFE）层，利用其pH响应变色实现感染可视化；下层为负载miR-210-3p工程化小细胞外囊泡（sEVsmiR）的Schiff碱交联透明质酸（sHA）层，可缓释sEVsmiR。实验先制备并表征sEVsmiR，验证其促进HUVEC增殖、迁移和血管生成的能力；随后合成并优化双层水凝胶的理化性能，确认其可注射、自愈合、抗菌、止血和生物相容性。在糖尿病大鼠感染创面模型中，该敷料通过抗氧化、缓解内质网应激、诱导巨噬细胞M2极化和增强血管新生，显著加速愈合，且效果优于非糖尿病对照，实现了感染实时监测与治疗一体化。

图 1、miR-210-3p工程化小细胞外囊泡（sEVs）的表征及其增强的血管生成效应。(A) sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 的透射电镜（TEM）图像。(B) sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 的纳米颗粒跟踪分析（NTA）结果。(C) 不同 sEVs 中 CD9、CD81、TSG101 和 calnexin 的 Western blot 鉴定。(D) sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 中 miR-210-3p 的相对表达量。(E) HUVECs 摄取 sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 的代表性图像。(F) HUVECs 经 sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 处理后 miR-210-3p 的相对表达量。(G) HUVECs 经 sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 处理后的相对细胞活力。(H) HUVECs 经三种不同小细胞外囊泡处理后的细胞周期结果。(I) HUVECs 在不同细胞周期阶段的占比定量分析。(J) HUVECs 接受不同处理后的划痕实验代表性图像及 (K) 迁移率。(L) HUVECs 经 PBS、sEVs、sEVsmiR-inhibitor 和 sEVsmiR 处理后的管腔形成实验代表性图像。管腔形成实验中 (M) 分支点数量和 (N) 总分支长度的定量分析。

图 2、sHA水凝胶的制备与表征。(A) sHA合成的宏观观察。(B) sHA水凝胶的可注射性能。(C) sHA水凝胶的自修复性能。(D) 不同固含量（2%、4%、6%）sHA水凝胶的SEM图像。(E) 不同固含量（2%、4%、6%）sHA水凝胶的时间扫描测试和(F) 应变扫描测试。(G) 4% sHA水凝胶的连续阶跃应变测试。

图 3、AlgHA/sHA双层水凝胶的合成与表征。(A) AlgHA/sHA合成过程的宏观观察。(B) AlgHA与sHA水凝胶连接情况的观察。(C) AlgHA、sHA及AlgHA/sHA水凝胶的溶胀比。(D) AlgHA、sHA及AlgHA/sHA水凝胶在pH 7.4和pH 5.0下的降解特性。(E) AlgHA/sHA在pH 5.0的PBS溶液中浸泡6天前后的照片。(F) 花青素和(G) sEVs在pH 5.0和pH 7.4的PBS溶液中从水凝胶中的释放百分比。

图 4、水凝胶的抗菌性、止血能力及生物相容性。(A) PBS、氨苄西林、AlgHA、sHA、AlgHA/sHA、AlgHA-MFE/sHA、AlgHA-MFE/sHA-sEVs、AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR处理后金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的菌落。(B) 金黄色葡萄球菌和(C) 大肠杆菌的CFU计数。(D) 止血实验示意图。(E) PBS、明胶海绵、AlgHA、sHA及AlgHA/sHA水凝胶处理后的肝脏出血照片。(F) 肝脏失血量的定量分析。(G) 红细胞与PBS、不同水凝胶及Triton X-100共孵育后的溶血情况。(H) 溶血率的定量分析。

图 5、基于pH检测的伤口感染可视化监测。(A) MFE溶液在pH 4–10范围内的照片。(B) AlgHA-MFE水凝胶在不同pH溶液中浸泡后的照片。(C) AlgHA-MFE水凝胶与细菌培养基共孵育不同时间点（0、6、12、24和48小时）的照片。(D) 使用pH试纸测定糖尿病大鼠在金黄色葡萄球菌感染前后伤口的pH值。(E) AlgHA-MFE和AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR水凝胶应用于感染或未感染糖尿病伤口的照片。

图 6、AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR 促进血管生成的效果与机制。(A) 采用 DCFH-DA 检测 HUVEC 内 ROS 水平。(B) 不同处理后第 1、2、3 天 HUVEC 的相对细胞活力。(C) 不同处理 2 天后 HUVEC 的细胞周期结果。(D) 各细胞周期阶段细胞比例。(E) 划痕实验 0 和 24 h 的 HUVEC 显微图像。(F) HUVEC 24 h 迁移率的定量分析。(G) 管腔形成实验显微图像。(H) 管腔形成实验总分支长度和 (I) 分支点的定量分析。(J) HUVEC 中抗氧化酶及 PERK 通路相关蛋白的表达。(K) 用于检测 EFNA3 及 PI3K/AKT/VEGFA 通路相关蛋白表达水平的 Western blot 结果。(L) 内质网应激相关蛋白及抗氧化酶相对表达的定量分析。(M) EFNA3 及 PI3K/AKT/VEGFA 通路蛋白的相对表达。G1、G2、G3、G4、G5、G6 分别代表对照、HG、HG+AlgHA/sHA、HG+AlgHA-MFE/sHA、HG+AlgHA-MFE/sHA-sEVs、HG+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR。

图 7、AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR 对巨噬细胞极化的调控。(A) Raw264.7 细胞内吞 sEVs 和 sEVsmiR 的代表性图像。(B) 流式细胞术检测 Raw264.7 细胞中 CD86 和 (C) CD206 的表达。(D) CD86 阳性巨噬细胞和 (E) CD206 阳性巨噬细胞在不同处理后的比例。Raw264.7 细胞中 (F) IL-1β、(G) TNF-α、(H) IL-10、(I) TGF-β、(J) VEGFA 和 (K) bFGF mRNA 的相对表达量。G1、G2、G3、G4、G5、G6 和 G7 分别代表对照、IL-4、LPS、LPS+AlgHA/sHA、LPS+AlgHA-MFE/sHA、LPS+AlgHA-MFE/sHA-sEVs 和 LPS+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR。

图 8、AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR 水凝胶治疗糖尿病感染创面的疗效与生物安全性。(A) 评估不同水凝胶治疗糖尿病感染创面疗效的时间轴。(B) 不同处理后创面的宏观图像。(C) 多种治疗方式下创面愈合的模拟分析。(D) 第3、7、14天的创面相对面积。(E) 治疗3天后糖尿病感染创面的细菌培养结果。(F) 创面细菌培养的CFU计数。(G) 不同处理组心脏、肝脏、脾脏、肺脏和肾脏的组织学检查。G1、G2、G3、G4、G5和G6分别代表对照组、DM组、DM+AlgHA/sHA组、DM+AlgHA-MFE/sHA组、DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVs组和DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR组。

图 9、水凝胶处理后伤口组织的组织学评估。(A) 第14天伤口组织的H&E染色。(B) 第14天伤口组织的Masson三色染色。(C) 使用DHE荧光染色评估伤口部位的ROS水平。(D) 伤口区域GRP78的免疫组化结果。(E) H&E染色中伤口长度的统计分析。(F) 胶原体积分数的统计分析。(G) 伤口ROS平均荧光强度的统计分析。(H) 伤口区域GRP78免疫组化中GRP78阳性面积的百分比。G1、G2、G3、G4、G5和G6分别代表对照、DM、DM+AlgHA/sHA、DM+AlgHA-MFE/sHA、DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVs和DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR。

图 10、水凝胶对糖尿病感染创面血管生成及巨噬细胞极化的调控作用。(A) 第3天和第7天创面组织中iNOS和CD206的免疫荧光染色结果。创面组织中iNOS平均荧光强度的统计分析：(B) 第3天，(C) 第7天。创面组织中CD206平均荧光强度：(D) 第3天，(E) 第7天。(F) 第7天和第14天创面区域CD31和α-SMA的免疫荧光染色结果。创面区域新生血管定量：(G) 第7天，(H) 第14天。创面成熟血管定量：(I) 第7天，(J) 第14天。G1、G2、G3、G4、G5和G6分别代表对照组、DM组、DM+AlgHA/sHA组、DM+AlgHA-MFE/sHA组、DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVs组和DM+AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR组。

结论

本研究构建了一种集“可视化感染监测-免疫调节-促血管新生”于一体的“Tri-Act”双层水凝胶敷料（AlgHA-MFE/sHA-sEVsmiR）：上层富含桑椹花青素，可随伤口pH变化实时显色监测感染；下层pH响应性释放miR-210-3p工程化小细胞外囊泡，协同抗氧化、缓解内质网应激，显著促进巨噬细胞M2极化与血管新生。糖尿病感染伤口模型证实，该水凝胶抗菌率＞95%，14天内创面相对面积缩小至2.1%，愈合速度优于非糖尿病对照，为糖尿病创面一体化诊疗提供了新策略。

参考文献

标题：Mulberry-inspired tri-act hydrogel for visual monitoring and enhanced diabetic wound repair

作者：Zhenhe Zhang、Bobin Mi、Yuheng Liao、Pengzhen Bu、Xudong Xie、Chenyan Yu、Weixian Hu、Yun Sun、Qian Feng、Mengfei Liu、Hang Xue、Guohui Liu

期刊：Chemical Engineering Journal 505 (2025) 159313

DOI:10.1016/j.cej.2025.159313

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159313