西安交通大学郭保林团队：智能药物递送-伤口愈合一体化水凝胶敷料用于2型糖尿病伤口微环境调控

研究背景：

糖尿病创面作为糖尿病患者的严重并发症，其高糖、高活性氧（ROS）及易感染的病理微环境导致愈合进程迟缓、迁延不愈。传统敷料难以动态响应创面床内 fluctuating conditions，无法主动改善糖尿病伤口微环境。水凝胶凭借三维亲水网络具备良好的生物相容性和载药能力，但现有抗炎载药水凝胶普遍存在药物释放不可控、细胞毒性及无法全面重塑病理微环境等局限。因此，亟需开发能够智能响应伤口微环境、协同调控高血糖、炎症及感染的多功能水凝胶敷料。

针对上述问题，西安交通大学郭保林教授团队开发了一种pH/ROS双响应智能水凝胶敷料（CMC/OHM-Sit/IL25/GN），通过席夫碱/双键双网络实现降糖药西格列汀（Sit）和抗炎药尼美舒利（Nim）的智能按需释放，协同离子液体（IL）的抗菌与导电功能，全面调控2型糖尿病（T2DM）伤口微环境以促进愈合。该水凝胶由羧甲基壳聚糖（CMC）、氧化透明质酸甲基丙烯酸酯（OHM）、IL、Sit及ROS响应性GKL@Nim（GN）胶束构成，表现出优异的响应性释药、抗炎、导电、溶胀、可降解及自愈合性能。该文章于2026年1月5日以《Intelligent drug delivery-wound healing integrated hydrogel dressing for Type 2 Diabetes Mellitus wounds with wound microenvironment modulation》为题发表于《Biomaterials》。

图1. CMC/OHM-Sit/IL25/GN智能水凝胶的制备及糖尿病伤口治疗应用示意图。a) 水凝胶制备流程：mPEG、TK与PCLB逐步聚合形成ROS响应性两亲性三嵌段共聚物PEG-TK-PCL（GKL），负载Nim自组装形成GN胶束；CMC、OHM、Sit与IL在APS/TEMED引发下通过席夫碱反应和自由基聚合形成双网络水凝胶，GN胶束均匀分散于网络中。b) 糖尿病伤口应用及智能响应机制：敷料覆盖创面后，在低pH和高ROS的糖尿病伤口微环境中，席夫碱键断裂实现Sit的pH响应性释放以降低局部血糖，硫缩酮键断裂促使GN胶束解体并释放Nim以抑制炎症；IL提供持久抗菌活性和离子导电性，协同促进巨噬细胞M1向M2极化、血管生成及创面愈合。

（1）ROS响应性GN胶束的合成与表征

通过三步法合成含硫缩酮（TK）键的两亲性三嵌段共聚物mPEG-TK-PCL（GKL）。¹H NMR图谱证实了TK（图2a1）、GK（图2a2）及GKL（图2a3）各中间体的成功制备，GKL在3.6–3.8 ppm、1.2–1.8 ppm及7.3–7.7 ppm处呈现PEG、PCL和苯环的特征峰。通过自组装法制备空白GKL胶束和载药GN胶束，UV-Vis测定Nim载药率为13.9%。TEM观察显示GKL胶束呈均匀球形，平均粒径为87.30±9.91 nm（图2b,e）；载药后GN胶束粒径增至120.77±16.30 nm（图2c,f）。经20 mM H₂O₂处理后，由于硫缩酮键被ROS切断，GN胶束结构解体并形成不规则聚集体，粒径显著增大至462.92±75.29 nm（图2d,g），证实GN胶束具备良好的ROS响应性解离特性，可在糖尿病伤口高ROS环境中实现Nim的智能释放。

图2. ROS响应性GN胶束的合成与表征。a1–a3) TK、GK和GKL的¹H NMR图谱。b–d) GKL、GN及GN经H₂O₂处理后的TEM图像。比例尺，100 nm。e–g) 分别为GKL、GN及GN+H₂O₂的粒径统计分布。

（2）水凝胶的离子电导率、溶胀行为、降解性能及力学性能

系统表征了系列水凝胶的物理化学性能。随着IL含量从0增至50 mg/mL，水凝胶离子电导率从1.46×10⁻³ S/m逐步提升至7.32×10⁻³ S/m（图3a），接近皮肤组织电导率水平，有利于促进伤口部位内源性生物电场介导的细胞迁移与增殖。溶胀实验表明，CMC/OHM/IL0水凝胶在60 h内溶胀率高达219.4%且网络趋于解离，而含IL水凝胶溶胀平稳，平衡溶胀率分别为108.0%、96.5%和87.7%（图3b），结构稳定性显著提升。体外降解测试显示，IL0水凝胶33天降解32.0%，而含IL水凝胶因共价C–C双键网络存在，降解率约为65–68%（图3c），可实现与伤口愈合进程匹配的逐步降解。SEM显示随IL含量增加，水凝胶孔径从402.3 μm依次减小至104.4 μm，网络结构更加致密（图3d,e）。流变学测试表明，IL12.5组储能模量（G′）最高达2672.1 Pa，随后随IL增加而降低（图3f）。CMC/OHM/IL25水凝胶在50%应变下压缩强度达15.2 kPa，经10次循环压缩后恢复性能良好（图3g），展现出优异的力学稳定性。

图3. 系列水凝胶的物理化学性能表征。a) 离子电导率。b) 溶胀曲线。c) 体外降解曲线。d) SEM图像（上排比例尺：250 μm；下排比例尺：100 μm）。e) 孔径统计。f) 储能模量（G′）与损耗模量（G″）。g) CMC/OHM/IL25的循环压缩性能。

（3）水凝胶的抗菌性能、生物相容性与自愈合性能

含IL水凝胶对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的体外接触杀菌率均超99%（图4a,b）。在MRSA感染小鼠模型中，CMC/OHM/IL25和CMC/OHM-Sit/IL25/GN水凝胶的体内杀菌率分别达92.19%和93.39%（图4c），显著优于PBS和IL0组。细胞相容性测试显示各组水凝胶与L929细胞共培养后存活率均超90%，其中CMC/OHM/IL25组达99.81%，与TCP组接近（图4d）；LIVE/DEAD染色显示该组细胞呈典型纺锤形，几乎无死细胞（图4e）。溶血实验表明IL0、IL12.5和IL25组溶血率均低于5%，而IL50组升至7.58%（图4f）。流变学断裂点测试显示CMC/OHM/IL25在176.2%应变下G′=G″，发生固-液相转变（图4g）；阶梯应变测试表明在经历200%高应变破坏后，转至1%低应变时G′迅速恢复，经多次循环后模量保持稳定（图4h），证实水凝胶具备优异的自愈合能力。

图4. 水凝胶的抗菌性能、生物相容性与自愈合性能。a,b) 对大肠杆菌和MRSA的体外抗菌率（n = 5）。c) 体内抗菌性能（n = 6）。d) 细胞相容性（n = 8）。e) LIVE/DEAD染色图像。比例尺，200 μm。f) 溶血率（n = 6）。g) 断裂点应变测试。h) CMC/OHM/IL25的微观自愈合循环测试。

（4）响应性药物释放与体外抗炎性能

CMC/OHM-Sit/IL25/GN水凝胶展现对糖尿病伤口微环境的智能响应释药行为。Sit通过席夫碱键连接于水凝胶网络，在pH 5.5模拟伤口酸性环境中7天累积释放超80%，而在pH 7.4中性环境中仅释放50.5%（图5a）。Nim的释放则依赖pH和ROS双信号：在pH 7.4条件下7天仅释放15.0%，pH 5.5条件下为31.2%，pH 7.4+H₂O₂条件下为48.9%，而在pH 5.5+H₂O₂模拟糖尿病伤口环境中释放率高达83.7%（图5b），其机制为席夫碱网络解离与硫缩酮键断裂协同促使GN胶束解体释药（图5c）。体外抗炎实验流程如图5d所示。巨噬细胞相容性测试确定1.25 mg/mL为最佳实验浓度（图5e）。与LPS诱导的炎症模型组相比，水凝胶处理组促炎因子TNF-α和IL-6表达显著下调至接近正常水平（图5f,g），抗炎因子TGF-β和IL-10明显上调（图5i,j），有效促进巨噬细胞从促炎M1表型向抗炎M2表型极化（图5h），表现出强大的体外抗炎活性。

图5. 水凝胶的响应性药物释放与体外抗炎性能。a) Sit在不同pH下的释放曲线。b) Nim在四种不同条件下的释放曲线。c) 智能响应释药机制示意图。d) 体外抗炎实验流程。e) 巨噬细胞相容性（n = 8）。f,g,i,j) 各组巨噬细胞中TNF-α、IL-6、TGF-β和IL-10的相对表达量（n = 3）。h) 水凝胶调控巨噬细胞极化示意图。

（5）T2DM小鼠全层皮肤缺损的伤口愈合性能

通过高脂饮食联合链脲佐菌素（STZ）注射建立T2DM小鼠全层皮肤缺损模型评估水凝胶疗效（图6a）。实验设置Tegaderm™薄膜对照组及系列水凝胶治疗组。宏观观察显示，CMC/OHM-Sit/IL25/GN组愈合速度最快，第7天伤口闭合率达80.2%，第14天达96.3%，显著优于Tegaderm™组（第7天24.2%）及其他单功能组（图6b-d）。CMC/OHM-Sit/IL25组（第7天64.0%）和CMC/OHM/IL25/GN组（第7天68.0%）亦表现出良好疗效，第14天闭合率均超90%。至第21天，CMC/OHM-Sit/IL25/GN组实现完全再上皮化并伴毛发再生。上述结果证实该双响应载药水凝胶通过协同调控高血糖与炎症微环境，显著加速T2DM慢性伤口愈合。

图6. T2DM小鼠全层皮肤缺损的伤口愈合性能。a) T2DM小鼠造模及实验流程示意图。b) 各组第3、7、14、21天伤口代表性照片。c) 各组伤口愈合过程示意图（c1：Tegaderm™组；c2：CMC/OHM/IL0组；c3：CMC/OHM/IL25组；c4：CMC/OHM-Sit/IL25组；c5：CMC/OHM/IL25/GN组；c6：CMC/OHM-Sit/IL25/GN组）。d) 各组伤口闭合率统计（n = 6）。

（6）伤口愈合的组织形态学评估

H&E染色显示，CMC/OHM-Sit/IL25/GN组在第3、7天炎症细胞浸润最少，第7天即可见清晰表皮结构，第14天伤口尺寸进一步缩小并出现皮肤附件，第21天实现完全闭合，皮肤结构及毛囊、汗腺、血管等附件完全再生，组织学表现接近正常皮肤（图7a）。第7天血管数量统计显示，该组血管生成量较Tegaderm™对照组增加367.7%（图7c）。第21天真皮间隙测量中，该组仅为243.2 μm，远小于对照组（930.4 μm）（图7d），表明其卓越的修复效果。Masson三色染色显示第14天CMC/OHM-Sit/IL25/GN组胶原沉积面积覆盖率达220.9%，显著高于其他各组（图7b,e），证实该水凝胶在促进组织重塑阶段的优异性能。

图7. 伤口愈合的组织形态学评估。a) 各组第3、7、14、21天伤口组织H&E染色图像。比例尺，200 μm。b) 各组第14天Masson染色图像。比例尺，100 μm。c) 第7天血管数量统计（n = 6）。d) 第21天真皮间隙统计（n = 6）。e) 第14天胶原沉积面积覆盖率统计（n = 6）。

（7）伤口愈合过程中IL-6和CD31的表达

通过免疫荧光染色评估水凝胶对伤口炎症及血管生成的调控作用。IL-6染色显示，第3天CMC/OHM-Sit/IL25/GN组IL-6表达降至对照组的25.7%，第7天进一步降至6.2%（图8a,c,d），显著优于CMC/OHM-Sit/IL25组（第7天26.4%）和CMC/OHM/IL25/GN组（第7天18.6%），证实该水凝胶通过精准响应释放Nim、IL抗菌及HA抗炎的协同作用，有效抑制糖尿病伤口急性和慢性炎症。CD31免疫荧光显示第7天CMC/OHM-Sit/IL25/GN组血管新生标志物CD31表达量达对照组的315.3%（图8b,e），显著高于CMC/OHM/IL25/GN组（217.3%）和CMC/OHM-Sit/IL25组（188.9%），表明双药协同加载在促进血管生成方面具有显著优势，可为创面提供充足的氧气与营养供应。

图8. 伤口愈合过程中IL-6和CD31的表达。a) 各组第3、7天伤口组织IL-6免疫荧光图像。比例尺，100 μm。b) 各组第7天CD31免疫荧光图像。比例尺，100 μm。c) 第3天IL-6相对面积覆盖率统计（n = 6）。d) 第7天IL-6相对面积覆盖率统计（n = 6）。e) 第7天CD31相对面积覆盖率统计（n = 6）。

研究小结

本研究成功开发了一种pH/ROS双响应智能水凝胶敷料CMC/OHM-Sit/IL25/GN，通过席夫碱/双键双网络实现西格列汀和尼美舒利的智能按需释放，协同离子液体的持久抗菌与导电功能，全面调控糖尿病伤口的高糖、炎症及感染微环境。该水凝胶具备良好的离子导电性、适宜的溶胀与降解性能、优异的生物相容性及自愈合能力。在T2DM小鼠全层缺损模型中，该敷料显著加速伤口愈合进程，第14天闭合率达96.3%，并通过促进血管生成、胶原沉积及抑制炎症因子IL-6表达，实现高质量的皮肤再生。这一智能响应型水凝胶敷料为糖尿病慢性创面的临床治疗提供了新的有效策略。