西安交通大学《自然·通讯》：智能温控水凝胶，兼具恒温杀菌与热电促修复双功能

糖尿病创面因其持续高血糖引发的晚期糖基化终末产物积累、内皮功能障碍及炎症消退障碍，成为最具挑战性的慢性损伤之一。其难愈的核心原因在于创面易于反复停滞于炎症期，导致感染复发和深层溃疡。此外，不当或时机不佳的治疗干预可能进一步破坏脆弱的新生再生微环境。因此，开发能够同步匹配创面愈合各阶段治疗需求的适应性策略，成为精准治疗的关键。光热疗法虽被认为是控制耐药菌感染和恢复灌注的有效手段，但其温度变化完全由外部激光功率决定，且其自身缺乏精准自调节机制。鉴于光热抗菌的生物学安全窗口（约45-50°C）极为狭窄，细微的照射强度波动都可能导致瞬时过热，引发热损伤。自然界中，沙漠蜥蜴等生物通过动态结构重组实现了精确的温度调控，为材料设计提供了巧妙思路。在此背景下，本研究开发了一种仿生热反馈模式可切换水凝胶，旨在实现光热温度的自主调控，并在感染控制后利用热电效应补偿创面缺失的内源性生物电信号，从而适应创面修复阶段的需求。

西安交通大学郭保林教授团队研发的热反馈模式可切换水凝胶，通过将N-异丙基丙烯酰胺与磺基甜菜碱乙烯基咪唑共聚，并负载葡萄糖氧化酶及EGCG-Fe³⁺修饰的Bi₂Te₃，实现了对体积相变温度的精确编程。该水凝胶能在生物安全窗口内实现恒温光热抗菌，并通过葡萄糖氧化酶介导的金属-多酚网络解离，在创面修复过程中灵活实现光热温度的自限，同时伴随金属-多酚网络解离，水凝胶在温和温度下激活热电效应，补偿糖尿病创面缺失的内源性电场。该水凝胶通过渐进式调节，实现了对感染糖尿病创面的阶段性适应性修复调控，在糖尿病小鼠模型中显著加速了创面闭合，提高了修复质量，展现了在慢性创面护理中的巨大应用潜力。相关论文以“Thermal-feedback modality switchable hydrogel with thermoelectric self-modulation for stage-adaptive repair of infected diabetic wound”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队受沙漠蜥蜴通过调节皮肤鸟嘌呤晶体排列来切换体色和调节光吸收的启发，设计了TFMS水凝胶（图1a）。该水凝胶预编程了特定的光热温度阈值，无需额外调节激光功率即可实现温度反馈自调节（图1c）。为实现最优的光热和热电转换，团队选择了n型Bi₂Te₃纳米片作为光热激活组分，并通过原位聚合形成EGCG-Fe³⁺金属-多酚网络对其进行修饰（图1b）。表征结果显示，修饰后的BTE纳米片表面出现聚合物状粗糙层，粒径增大，Zeta电位显著降低，且在水分散液中稳定性良好。同时，通过将NIPAM与强亲水性单体SBVI以10:3的摩尔比共聚，成功将水凝胶的体积相变温度精确编程至约47°C，进入了生物安全的抗菌温度窗口（图1d）。优化后的水凝胶在室温下具有高光学透明性，当环境温度超过VPTT时发生“白化切换”，伴随孔隙致密收缩（孔隙尺寸主要集中在2 μm左右）和表面亲疏水性的显著转变。该水凝胶还展现出优异的自愈合性能、组织粘附强度（达8.8 kPa）和拉伸应变（达549%），并可通过葡萄糖氧化酶介导的酸生成触发EGCG的按需释放——在高糖环境（400 mg dL⁻¹）下24小时释放率达96.7%，而在正常糖浓度（100 mg dL⁻¹）下仅为18.1%（图2），实现了“一石二鸟”的微环境改善策略。

图1. TFMS水凝胶的设计原理与应用示意图。 (a) 沙漠蜥蜴温度依赖性体色切换机制。 (b) 构建TFMS水凝胶的设计策略。 (c) TFMS水凝胶的热反馈模式可切换与自限温机制。 (d) TFMS水凝胶促进MRSA感染糖尿病创面阶段性适应性修复调控的示意图。

图2. TFMS水凝胶的表征。 (a) EGCG-Fe³⁺金属-多酚网络包覆Bi₂Te₃的制备示意图。 (b) Bi₂Te₃的SEM图像。 (c) Bi₂Te₃和BTE的TEM图像。 (d) Bi₂Te₃和BTE的粒径分布和(e) Zeta电位（n=3个独立样本）。 (f) 不同NIPAM:SBVI比例的TFMS水凝胶在37°C下的光学透射率。 (g) 白化切换前后水凝胶的宏观照片和SEM图像。 (h) 白化切换前后水凝胶的水接触角图像。 (i) 不同NIPAM:SBVI比例水凝胶的流变学分析。 (j) 水凝胶的自修复性能和(k)宏观自修复演示。 (l) 水凝胶在室温和37°C下的组织粘附性能（n=5个独立样本）。 (m) 水凝胶组织粘附机制示意图，虚线表示物理相互作用，红色、蓝色和黑色虚线分别表示氢键、静电相互作用和阳离子-π相互作用。 (n) 水凝胶通过粘附提举重物的演示。 (o) 水凝胶的拉伸应力-应变曲线及相应的拉伸照片。 (p) 水凝胶的葡萄糖响应性产酸能力（n=3个独立样本）。 (q) EGCG在含葡萄糖培养基中从水凝胶的释放曲线（n=6个独立样本）。 (r) EGCG-Fe³⁺金属-多酚网络解离后水凝胶颜色强度变化的视觉呈现。数据以均值±SD表示。图中b、c、g进行了三次独立实验并展示了代表性结果。源数据以源数据文件形式提供。

在恒温光热性能方面，研究发现金属-多酚网络修饰将Bi₂Te₃的光热转换效率从13.12%提升至25.45%，赋予其超快光热响应（<10秒）。在相同功率密度（1.0 W cm⁻²）的NIR照射下，当BTE浓度为8 mg mL⁻¹时，TFMS水凝胶迅速达到并稳定在约48°C的稳态温度，而非恒温对照水凝胶则持续升温至约61.6°C（图3a-c）。温度-深度分布图显示，恒温水凝胶在辐照中心的热扩散半径仅为约2 mm，而非恒温水凝胶则接近8 mm，中心温度超过61°C（图3f-g）。利用热致变色染料指示剂进一步可视化验证，恒温水凝胶有效抑制了过度NIR吸收，避免了底层过热（图3h）。更重要的是，在模拟糖尿病创面的高糖环境中，水凝胶的808 nm吸收在80分钟内持续下降，光热平台逐渐降低，其宏观“白化切换”在高糖处理后消失，证实了葡萄糖介导的金属-多酚网络解离导致NIR吸收能力逐步衰减，从而实现了结构依赖性的时间维度热自限调节（图3i-k）。

图3. TFMS水凝胶的恒温光热性能。 (a) 水凝胶热反馈模式切换机制的示意图。 (b) Bi₂Te₃和BTE分散液的光热加热-冷却曲线及相应的冷却阶段-ln(θ)对时间的线性拟合曲线，用于计算光热转换效率。 (c) 光热纳米材料的光热加热曲线。 (d) 含不同光热纳米材料的水凝胶的温度-时间曲线。 (e) 不同功率密度NIR辐照下水凝胶的循环光热加热曲线。 (f) NIR辐照下恒温与非恒温水凝胶的温度-深度分布图。 (g) 水凝胶深度方向的光热图像。 (h) 使用热致变色染料指示剂进行热穿透的宏观演示。 (i) PNISB/GOx/BTE在葡萄糖溶液中UV-vis吸光度的变化，使用Bi₂Te₃替代BTE的水凝胶作为对照。 (j) 水凝胶的动态光热温度曲线及展示自限光热温度的相应热像图。 (k) 水凝胶动态光热温度变化的宏观可视化。源数据以源数据文件形式提供。

在恒温光热抗菌性能评估中，TFMS水凝胶对大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌表现出高效抗菌活性，NIR照射3分钟后杀菌效率分别达96.3%和95.6%，5分钟后接近99%（图4a-c）。机制研究表明，光热治疗导致细菌Zeta电位从约-19 mV上升至约-2 mV，膜电位荧光强度增加，伴随蛋白质泄漏和膜穿孔、塌陷等形态学改变（图4e-g）。三维活/死染色显示，NIR照射10分钟后生物膜清除率达93.1%（图4h）。在体内MRSA感染小鼠模型中，恒温水凝胶和非恒温水凝胶均实现了>97%的抗菌率，但非恒温组出现了烧伤样病变，其IL-4表达显著升高而IFN-γ较低。这种细胞因子模式表明，热损伤往往促进Th2偏移的炎症微环境，与纤维化修复和瘢痕倾向相关；而恒温组中IFN-γ的表达更显著，提示其避免了热损伤诱导的纤维化反应，维持了更有利的愈合免疫微环境（图4i-l）。

图4. TFMS水凝胶的恒温光热抗菌性能。 (a) 大肠杆菌和MRSA残余菌落的代表性图像。 (b) 对大肠杆菌和(c) MRSA的定量杀菌效率（n=6个独立样本）。 (d) 大肠杆菌和MRSA的活/死荧光染色图像（SYTO 9，绿色；PI，红色）。 (e) 处理后大肠杆菌和MRSA的Zeta电位变化（n=3个独立样本）和(f) 膜电位变化（n=6个独立样本）。 (g) 抗菌处理后细菌形态的SEM图像。黄色箭头表示膜穿孔、塌陷或表面破裂。 (h) 不同处理后MRSA生物膜的三维图像和侧视图投影（SYTO 9，绿色；PI，红色）。 (i) 小鼠体内感染治疗的红外热像图。 (j) 对MRSA的体内抗菌效率（n=4个独立样本）。 (k) 恒温与非恒温光热处理后感染部位的免疫荧光染色图像（IL-4，红色；IFN-γ，绿色；DAPI，蓝色）。 (l) 水凝胶恒温光热抗菌机制的示意图。图中e、f、g的阴影区域表示SD。数据以均值±SD表示。图中d、g、k进行了三次独立实验并展示了代表性结果。源数据以源数据文件形式提供。

在热电性能方面，KPFM分析证实了温度梯度诱导的Bi₂Te₃局部电子富集和电位差产生（图5a-b）。葡萄糖处理后（即金属-多酚网络部分解离后）的PNISB/GOx/BTE水凝胶在290-330K范围内呈现温度依赖的电导率，Seebeck系数为负值，证实了n型热电行为，功率因子达663.8 μW m⁻¹ K⁻²，热电优值在0.39-0.49之间（补充图15）。宏观尺度上，水凝胶在9K温差下产生约39 mV的电位差（图5c）。三维有限元模拟显示，NIR照射下水凝胶在创面区域建立明确的热场，产生的ΔT形成约28.6 mV的电势差，内部电场指向创面中心，与生理创面电场方向一致（图5d）。在糖尿病大鼠背部全层创面中，TFMS水凝胶联合NIR照射使创面中心与边缘的电位差从3-4 mV显著增至25-27 mV，提供了约20 mV的额外电场（图5f-g），有效重建并补偿了糖尿病创面受损的内源性生物电信号（图5h）。

图5. TFMS水凝胶的热电性能。 (a) Bi₂Te₃在不同温度梯度下产生的电位差分布曲线。 (b) KPFM测量的三维电场分布图像。 (c) 水凝胶宏观电压输出随外加温差的变化。 (d) TFMS水凝胶-皮肤系统的三维有限元模拟：i) 温度场分布；ii) 电势分布；iii) 电场分布。 (e) 水凝胶内部热诱导电子传输的示意图。 (f) 创面中心与边缘之间的电位差。 (g) 水凝胶诱导热电效应补偿后的创面电位差。 (h) 正常创面、糖尿病创面和水凝胶处理后的糖尿病创面中电场的示意图。源数据以源数据文件形式提供。

在生物活性评估中，TFMS水凝胶展现出良好的细胞相容性。通过构建平行电极系统施加热电刺激，研究发现ΔT=17K时L929成纤维细胞24小时迁移率高达86.5%（图6b-c），HUVECs的管状结构在8小时时平均管长和网格密度显著增强（图6d-e）。流式细胞术和免疫荧光染色一致表明，PNISB/GOx/BTE处理可有效抑制LPS诱导的M1型巨噬细胞标志物CD86/iNOS，同时显著促进M2型标志物CD206表达，成功诱导巨噬细胞向M2型极化（图6f-h）。此外，EGCG释放赋予水凝胶显著的活性氧清除能力，细胞内ROS信号明显降低（图6i-j）。

图6. TFMS水凝胶的生物活性。 (a) 水凝胶生物活性机制的示意图。 (b) L929成纤维细胞迁移的图像。 (c) 细胞迁移率的定量统计（n=4个独立样本）。 (d) HUVECs的管形成图像（绿色）。 (e) 8小时后管形成程度的定量统计（n=3个独立样本）。 (f) M0巨噬细胞、地塞米松诱导的M2（CD206+）巨噬细胞、LPS诱导的M1（CD86+）巨噬细胞以及水凝胶处理的巨噬细胞的流式细胞术图。制备了仅负载Bi₂Te₃而不含EGCG-Fe³⁺金属-多酚网络包覆的水凝胶作为抗炎测试对照，标记为PNISB/GOx/BT（n=3个独立样本）。 (g) RAW 264.7细胞中iNOS（绿色）和CD206（红色）的免疫荧光图像（DAPI，蓝色）。 (h) M1/M2比值（n=4个独立样本）。 (i) 细胞内ROS荧光。 (j) 细胞内ROS荧光（绿色）的定量统计（n=4个独立样本）。数据以均值±SD表示。统计学显著性通过单因素方差分析与Tukey多重比较检验进行分析。P值，P<0.05表示有显著差异。源数据以源数据文件形式提供。

在糖尿病小鼠全层皮肤缺损感染模型中，TFMS水凝胶展现了卓越的阶段性自适应修复效果。NIR照射后水凝胶中心区域温度未超过48°C安全窗口（图7c）。在整个治疗周期中，PNISB/GOx/BTE组在第14天时残余创面面积仅为5.8%，而商业Flamigel组为49.6%（图7d-e）。组织学分析显示，PNISB/GOx/BTE组炎性浸润最轻，早期成纤维细胞募集明显（图7f）。激光散斑血流成像表明该组新生血管再生最为显著（图7f）。第14天时，PNISB/GOx/BTE组的表皮厚度仅为28.1 μm，比Flamigel组薄约3.7倍，提示更成熟的上皮重塑（图7h）；Masson染色显示该组胶原分布面积最宽，几乎实现全区域胶原覆盖（图7i）；第21天真皮间隙最小，表明皮肤附属器从创缘向中心延伸更完整，真皮结构重建更完全（图7j）。

图7. TFMS水凝胶的创面修复性能。 (a) 水凝胶治疗MRSA感染的I型糖尿病小鼠创面的实验方案示意图。 (b) 水凝胶对创面的阶段性自适应治疗机制示意图。 (c) 小鼠创面的红外热像图。 (d) 不同愈合阶段创面的代表性图像及相应的创面闭合演化图像。 (e) 残余创面面积的定量分析（n=5个独立样本）。 (f) 创面的H&E染色、激光散斑血流成像和Masson三色染色。 (g) 新生血管、（h）表皮厚度、（i）胶原沉积和（j）再生皮肤真皮间隙的定量评估（n=5个独立样本）。数据以均值±SD表示。统计学显著性通过单因素方差分析与Tukey多重比较检验进行分析。P值，P<0.05表示有显著差异。源数据以源数据文件形式提供。

在机制分析层面，免疫荧光染色显示PNISB/GOx/BTE组在第3天时DHE和TNF-α信号最弱，第7天时iNOS阳性面积最小而CD206阳性面积最大，Ki67和VEGF表达最为显著（图8a-g）。RNA测序分析共检测到17,004个基因，其中628个基因上调、488个基因下调（图8i）。GO和KEGG富集分析表明，与血管生成、创面愈合和上皮再生相关的基因显著上调，而促炎基因显著下调（图8j-l）。GSEA分析进一步揭示，炎症相关信号通路在PNISB/GOx/BTE组中被显著抑制，而血管生成、ECM组装和胶原形成通路显著上调，与电场刺激激活的PI3K-Akt信号通路高度相关（图8m-o）。

图8. TFMS水凝胶促进创面修复的机制。 (a) 炎症相关标志物的免疫荧光染色（DHE和TNF-α，红色；DAPI，蓝色）。 (b) 创面再生相关细胞标志物的免疫荧光染色（iNOS，红色；CD206和Ki67，绿色；DAPI，蓝色）。 (c) ROS荧光、（d）TNF-α荧光、（e）iNOS和CD206荧光、（f）Ki67荧光以及（g）VEGF荧光的创面免疫荧光信号定量分析（n=5个独立样本）。 (h) RNA测序数据的PCA图。Flamigel和PNISB/GOx/BTE分别指Flamigel组和PNISB/GOx/BTE组的组织样本。 (i) 治疗后鉴定出的差异表达基因的火山图分布。与纤维化、促炎、血管生成、创面愈合和上皮化功能相关的上/下调基因被标记。 (j) PNISB/GOx/BTE组中分析出的显著GO术语的雷达图。 (k) GO富集通路中鉴定出的差异表达基因的弦图。 (l) 差异表达基因的KEGG通路富集气泡图（Q<0.1）。 (m) PNISB/GOx/BTE处理后炎症相关、（n）血管生成相关和（o）细胞外基质组装与胶原形成通路的GSEA分析。采用双尾t检验比较两组数据，然后进行单因素方差分析和LSD多重比较以确定统计学显著性。P值，P<0.05表示有显著差异。图中a、b进行了三次独立实验并展示了代表性结果。源数据以源数据文件形式提供。

总结与展望

综上所述，本研究构建的仿生热反馈模式可切换水凝胶，通过预编程光热温度阈值，巧妙实现了恒温光热抗菌活性与促进组织再生的恒温热电效应的动态耦合。利用创面葡萄糖为“桥”，水凝胶灵活实现光热温度的自限性，并降低光热吸收状态，为温和条件下的热电激活创造条件，通过动态调整自身治疗特性以适应炎症期和增殖期两个关键愈合阶段的治疗需求。该水凝胶的治疗级联在功能上分阶段进行但时间上并非彼此孤立：NIR诱导的加热首先实现快速抗菌干预并同时启动热电刺激，随后葡萄糖触发的EGCG释放提供持续抗炎调节，将治疗效果从感染控制延伸至微环境重塑和再生修复。在体内糖尿病创面修复实验中，TFMS水凝胶支持ECM沉积、巨噬细胞极化调节、血管生成和表皮重塑，展现出良好的促愈合效果。研究者认为，TFMS水凝胶有望未来扩展至其他类型创面（如缺血性创面和免疫功能障碍相关创面），并为复杂病理创面的热调节材料和再生策略设计提供有价值的参考。