《CP》智能水凝胶双重调控活性氧稳态与巨噬细胞重编程！

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该研究开发了一种由葡萄糖氧化酶（GOx）驱动的智能壳聚糖水凝胶（CTCG），用于糖尿病慢性伤口的协同治疗。核心是N-琥珀酰壳聚糖（NSC）/PVA 水凝胶基质，其中负载了：

1）GOx：特异性催化伤口高浓度葡萄糖生成 H₂O₂，实现“糖耗竭”；

2）CeO₂纳米酶：分解 H₂O₂ 释放 O₂，缓解缺氧，同时清除过量 ROS，减轻氧化应激；

3）TA/Cu²⁺络合物：酸性感染微环境响应性释放 Cu²⁺，通过类芬顿反应产生·OH，实现精准抗菌。

该水凝胶在体外表现出优异的 ROS 清除能力、O₂ 生成性能和 pH 依赖性 Cu²⁺ 释放行为。在糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型中，显著加速再上皮化、促进血管新生、减少细菌感染并改善组织氧合。其综合调控“氧化应激/炎症-缺氧-感染”恶性循环的能力，为慢性糖尿病伤口治疗提供了全新策略。

【背景介绍】

糖尿病慢性伤口因其复杂的病理微环境成为临床难题。主要特征为高水平活性氧（ROS）和高血糖状态，两者相互促进，形成慢性感染、组织缺氧、氧化应激加剧、血管新生障碍和免疫功能异常的恶性循环，严重阻碍伤口愈合。

现有的伤口敷料技术虽有一定进展，但往往仅针对单一病理环节，难以满足糖尿病伤口的多维度治疗需求。因此，开发能够同时调控这些相互关联病理过程的创新生物材料迫在眉睫。

天然多糖因其优异的生物相容性和可调控的理化性质成为伤口修复领域的热门候选材料。其中，壳聚糖——唯一的天然阳离子多糖，具有抗菌、止血和组织再生能力。然而，其生理条件下的低溶解性限制了临床转化。本研究通过琥珀酰化修饰（NSC）改善其溶解性，并与聚乙烯醇（PVA）通过冻融循环形成物理交联水凝胶，在避免化学交联剂毒性的同时获得了优良的机械性能和保水能力。

本研究将 GOx/CeO₂ 级联催化系统与 TA/Cu 智能抗菌系统整合于 NSC 水凝胶中，提出了一种葡萄糖耗竭-ROS调控-细菌清除-组织再生的自循环治疗策略，为慢性糖尿病伤口修复提供了全新思路（图1）。

图 1. CTCG 水凝胶制备及其在糖尿病伤口中协同治疗机制的示意图。

【CTCG 水凝胶的理化性能表征】

图 2. (A) CeO₂ NPs 的 TEM 图像；(B) CeO₂ NPs 的粒径分布；(C) CTC NPs 的 TEM 图像；(D) CTC NPs 的粒径分布。

成功合成了约34.2 nm的 CeO₂ 纳米颗粒，呈六方晶型，晶格条纹清晰。经 TA/Cu 包覆后，粒径增至75.4 nm，分散性良好。XRD 证实 CeO₂ 保持典型立方萤石结构，表面修饰未破坏其晶体结构。

图 3. (A) 水凝胶 SEM 图像；(B) 角频率扫描；(C) 拉伸应力-应变曲线；(D) 拉伸弹性模量；(E) 时间扫描；(F) 压缩应力-应变曲线；(G) 压缩弹性模量。

NSC 的引入有效调控了 PVA 水凝胶的致密网络结构，形成更大孔径的三维多孔结构。CTC 和 CTCG 水凝胶中功能纳米材料的均匀分布通过元素 mapping 得到证实。流变学测试显示所有水凝胶均保持固态行为（G′ > G″），CTCG 水凝胶的储能模量显著提升，机械韧性增强。力学测试表明，NSC 改性后的水凝胶实现了机械性能的“刚柔并济”——足够强韧以承受生理应力，同时保持良好柔韧性以满足患者舒适度需求。

【CTCG 水凝胶的理化与催化性能】

图 4. (A) 水凝胶溶胀率；(B-C) CTCG 在不同 pH 和葡萄糖浓度下的 pH 变化；(D) H₂O₂ 清除能力；(E) CTC 的 O₂ 生成动力学；(F) CTCG 在葡萄糖存在下的 O₂ 生成。

NSC 水凝胶（NP）的溶胀率高达1044%，引入纳米材料后溶胀率适度降低。GOx 活性测试显示：在酸性条件（pH 5.0）下，GOx 催化葡萄糖生成 H₂O₂ 的效率更高；在生理条件（pH 7.4）下，40% 葡萄糖可使 pH 从7.4降至7.0，证实了水凝胶的葡萄糖消耗能力。

H₂O₂ 清除实验表明：TC 水凝胶（含 Cu²⁺）通过类芬顿反应高效消耗 H₂O₂；但引入 CeO₂ 后清除能力有所减弱，可能与 CeO₂ 干扰 Cu²⁺/Cu⁺ 循环有关。值得注意的是，加入 GOx 后清除活性恢复，可能通过 FAD/FADH₂ 介导的电子传递增强 Ce⁴⁺/Ce³⁺ 催化循环。

O₂ 生成实验显示：CTC 水凝胶呈剂量依赖性产氧；在葡萄糖存在下，CTCG 水凝胶的 O₂ 生成速率显著加快，证实其可通过持续供氧缓解糖尿病伤口缺氧。

【CTCG 水凝胶的抗菌性能】

图 5. 对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）共培养的抗菌性能评估：(A)菌落形成；(B) 定量抑菌率；(C) 生物膜形成；(D) 生物膜清除效率；(E) SEM 超微结构变化。

CTCG 水凝胶对两种代表性病原菌均表现出优异的抗菌活性，抑菌率达100%。其抗菌机制包括：TA/Cu 复合物的直接杀菌作用、酸性微环境触发的 Cu²⁺ 释放、以及类芬顿反应生成的·OH 对细菌膜结构的破坏。SEM 图像证实细菌细胞膜出现明显破裂和内容物泄漏。

【CTCG 水凝胶的细胞相容性与促血管生成能力】

图 6. (A-B) 内皮细胞活力剂量响应曲线；(C) 48 h 增殖动力学；(D) 定量迁移能力；(E) 划痕愈合进程。

图 7. (A) AO/EB 活性染色结果；(B) HUVECs 血管形成图像。

CTCG 水凝胶对 HUVECs 无明显细胞毒性，细胞存活率 > 80%。划痕实验显示 CTCG 显著促进细胞迁移，48 h 内实现91.1% 的创面闭合。AO/EB 染色证实细胞完整性良好，未见明显凋亡。管形成实验表明，CTCG 水凝胶具有最强的促血管生成能力，其机制涉及 GOx 催化产生的 H₂O₂ 和酸性微环境促进 Cu²⁺ 释放，驱动类芬顿反应产生生理水平的·OH，上调 VEGF、Ang-1 等关键促血管生成基因表达；同时 CeO₂ 的 SOD 和 CAT 样活性维持 ROS 稳态，保护内皮细胞免受氧化损伤。

【细胞内 ROS 清除与巨噬细胞极化调控】

图 8. (A) HUVEC 细胞的 DCFH-DA 染色图像；(B) ROS 荧光强度；(C) RAW 细胞形态；(D) 流式细胞术分析。

CTC 和 CTCG 水凝胶处理后，细胞内 ROS 荧光强度显著降低，证实 CeO₂ 纳米酶有效缓解氧化应激。巨噬细胞极化实验显示，含 CeO₂ 的水凝胶有效促进 RAW 细胞向 M2 抗炎表型极化，其中 CTCG 效果最显著。流式细胞术显示，CTCG 处理使 CD206⁺ M2 型巨噬细胞比例从对照组的1.8% 显著提升至17.2%。这归因于 GOx 催化葡萄糖氧化、耗竭局部葡萄糖并激活 AMPK 信号通路，从而驱动巨噬细胞向 M2 表型转化。

【CTCG 水凝胶对感染性糖尿病伤口的治疗效果】

图 9. (A) 治疗后第3天伤口图像及细菌菌落计数；(B)模拟伤口面积图；(C) 伤口愈合率。

在 S. aureus 感染的糖尿病小鼠模型中，含 TC 纳米颗粒的水凝胶表现出优异的抗菌性能。CTC 和 CTCG 水凝胶在第14天实现了100% 的伤口完全闭合。这一加速愈合归因于三重协同作用：TA/Cu 复合物的 pH 响应性抗菌、GOx-CeO₂ 级联催化的持续供氧、以及水凝胶三维网络提供的湿润愈合环境。

【组织学分析】

图 10. (A) H&E 染色图像；(B) 表皮厚度；(C) 全层厚度。

图 11. (A) Masson 染色；(B) 胶原沉积定量；(C) CD31、IL-6、HIF-1α 免疫荧光染色；(D-F) 相应荧光强度统计。

H&E 染色显示，CTCG 治疗组在第7天已完全实现表皮再生，第14天观察到功能性附件（如毛囊）和近乎完整的组织重塑。表皮厚度和全层皮肤厚度均显著优于对照组。Masson 染色显示 CTC 和 CTCG 组胶原沉积 > 80%，纤维排列致密有序。免疫荧光分析表明，CTCG 组 CD31 信号强度达95%，提示显著的促血管新生作用；IL-6 表达降至72%，证实抗炎能力；HIF-1α 降至26%，证明组织氧合显著改善。

【总结】

本研究提出了一种智能 CTCG 水凝胶系统，将纳米催化医学与代谢调控协同整合，以应对糖尿病伤口愈合的复杂挑战。通过 GOx 的酶活性与 CeO₂ 的双重纳米酶功能以及 TA/Cu²⁺ 复合物的 pH 响应性抗菌作用，水凝胶建立了一个自持的治疗级联反应。该系统智能地将伤口葡萄糖作为“燃料”，GOx 催化生成 H₂O₂，随后被 CeO₂ 转化为 O₂ 以缓解缺氧，同时清除过量 ROS 以打破氧化应激循环。Cu²⁺ 的 pH 依赖性释放在酸性感染区发挥类芬顿活性，实现靶向抗菌而不损伤周围健康组织。通过独特的物理交联 PVA/NSC 网络，水凝胶实现了最佳的机械性能和保湿能力，同时避免了化学交联剂的毒性。该多功能设计创造了一个动态的“葡萄糖耗竭-ROS 调控-细菌清除-组织再生”循环，主动重塑病理性伤口微环境。这项工作不仅展示了促进糖尿病伤口愈合的显著疗效，也为开发能够自主感知微环境并做出适应性治疗响应的智能伤口敷料建立了新范式，为慢性伤口及其他复杂组织修复挑战开辟了新途径。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.124534

来源：纳米生物前沿