西北工业大学AFM：多功能水凝胶有效促进细菌感染糖尿病伤口愈合

迄今为止，尚无一种有效的方法能够同时提供抗菌活性、调节血糖和促进血管生成以促进细菌感染的糖尿病伤口愈合，但这种需求非常迫切。在本研究中，西北工业大学李鹏/张悦周通过将聚多巴胺(PDA)、葡萄糖氧化酶(GOx)和钨氧化物(WO_x)纳米线整合到聚(γ-谷氨酸)(γ-PGA)框架中，制备了一种具有这些理想属性的复合水凝胶(γ-PGA/PDA/GOx/WO_x, PPGW)。PDA的卓越光热转换性能对细菌感染的糖尿病伤口具有显著的抗菌效果；GOx通过消耗葡萄糖并产生过氧化氢(H₂O₂)来调节高血糖；而WOx纳米线表现出显著的光催化能力，在暴露于808纳米近红外辐射时将H₂O₂转化为氧气(O₂)。通过密度泛函理论计算和实验证实了WO_x介导的光催化H₂O₂降解产生O₂的机制。这些转化有助于缓解与糖尿病相关的伤口缺氧状况，加速血管生成，并促进细胞爬行和增殖。因此，这种多功能水凝胶敷料PPGW，具有光热、抗菌和酶催化活性，能够降低伤口部位的高血糖。此外，光催化O₂的产生代表了一种解决慢性细菌感染的糖尿病伤口的有前景的策略。该研究以题为“Multifunctional Hydrogel Containing Oxygen Vacancy-Rich WO_x for Synergistic Photocatalytic O₂ Production and Photothermal Therapy Promoting Bacteria-Infected Diabetic Wound Healing”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

方案1 描述了PPGW水凝胶的制备过程及其糖尿病伤口愈合机制。该水凝胶通过整合聚多巴胺(PDA)、葡萄糖氧化酶(GOx)和氧空位丰富的钨氧化物(WO_x)纳米线到聚(γ-谷氨酸)(γ-PGA)框架中制备而成。PDA的卓越光热转换性能有助于显著的抗菌效果，对抗细菌感染的糖尿病伤口；GOx通过消耗葡萄糖并产生过氧化氢(H₂O₂)来调节高血糖；而WO_x纳米线在808纳米近红外辐射下表现出显著的光催化能力，将H₂O₂转化为氧气(O₂)。这些转化有助于缓解与糖尿病相关的伤口缺氧状况，加速血管生成，并促进细胞爬行和增殖。因此，PPGW水凝胶作为一种多功能敷料，其光热、抗菌和酶催化活性能够降低伤口部位的高血糖，同时光催化O₂的产生代表了一种解决慢性细菌感染的糖尿病伤口的有前景的策略。 

方案1. PPGW水凝胶的制造过程示意图及其糖尿病伤口愈合机制

【WO_x及PPGW水凝胶的特性分析】

图1展示了WO_x和PPGW水凝胶的特性。这些结果证实了WO_x中氧空位的成功制备以及PPGW水凝胶中各元素的均匀分布。通过XRD确认了WO_x的单斜结构缺陷，XPS分析揭示了WO_x中钨和氧的价态及其相对浓度，表明氧空位的存在。SEM和TEM图像显示了WO_x的纳米线形态，以及其在PPGW水凝胶中的分散情况。EDS谱图进一步证实了水凝胶中碳、氮、氧、磷和钨元素的均匀分布，为PPGW水凝胶的进一步应用提供了基础。

图1. WO_x及PPGW水凝胶的特性分析

【PPGW水凝胶的机械性能】

图2展示了PPGW水凝胶的机械性能。测试结果表明PPGW水凝胶展现出优异的弹性和韧性，能够承受60%的压缩应变并在移除负载后恢复原状，即使经过多次加载-卸载循环也能保持一致的性能。此外，PPGW水凝胶还表现出强大的拉伸强度和粘附能力，能够适应糖尿病伤口的压力需求。水凝胶的高吸水率和对各种表面的强粘附能力，使其能够有效吸收伤口渗出液并保持与伤口部位的紧密接触。

图2. PPGW水凝胶的机械性能

【PPGW的氧气产生行为，WO_x的几何结构理论模拟及WO_x的光催化路径】

图3展示了PPGW水凝胶的氧气产生行为、WO_x的几何结构理论模拟以及WO_x的光催化路径。实验观察到，不同氧空位浓度的WO_x在光照射下对H₂O₂的消耗情况，表明氧空位的浓度对光催化活性有显著影响。PPGW水凝胶在808nm近红外激光照射下展现出最强的吸收和光热转换效率，能够在10分钟内将温度升高至50°C以上，有效促进了H₂O₂的光催化分解产生氧气。此外，密度泛函理论计算进一步证实了氧空位丰富的WOx在光催化分解H₂O₂生成O₂过程中的活性，表明氧空位的存在降低了反应的能垒，提高了催化效率。

图3. PPGW的氧气产生行为，WO_x的几何结构理论模拟及WO_x的光催化路径

【体外抗菌能力评估】

图4展示了PPGW水凝胶的体外抗菌性能。通过平板实验评估了PP、PPW、PPG和PPGW水凝胶对革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的抗菌活性。实验结果表明，经过808nm近红外激光照射后，与这些水凝胶接触的细菌在Luria-Bertani（LB）琼脂平板上形成的活菌落数量显著减少，显示出对两种细菌都具有显著的抗菌效果。这种显著的抗菌效果主要归因于所有四种水凝胶中存在的聚多巴胺（PDA）的卓越光热性能，其在近红外光照射下能迅速将温度升高至约55°C，这种温度升高可能对细菌造成物理损害，即热损伤。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，经808nm近红外光照射10分钟后，细菌表面变得粗糙并出现许多凹陷，表明细胞膜的完整性受到破坏，这是抗菌活性的一个重要指标。因此，PPGW水凝胶在808nm近红外辐射下产生的热量有效地破坏了细菌细胞膜的完整性，导致细菌死亡。这些结论证实了PPGW水凝胶在抗菌方面具有显著效果，能够有效促进细菌感染的糖尿病伤口愈合。

图4. 体外抗菌能力评估

【PPGW的体外生物相容性评估】

图5展示了PPGW水凝胶的体外生物相容性评估。实验结果表明，所有水凝胶处理组的3T3成纤维细胞在培养48小时后均显示出健康的生长和增殖，细胞活性保持在95%以上，表明这些水凝胶具有优异的细胞相容性。溶血比率测试显示，所有水凝胶的溶血比率均低于5%的允许限制，显示出良好的血液相容性。此外，PPGW水凝胶处理的细胞在48小时后的迁移面积高于对照组，表明PPGW水凝胶能够促进细胞迁移。这些结论证实了PPGW水凝胶在生物相容性、抗溶血和促进细胞迁移方面的卓越性能，这对于糖尿病伤口愈合具有重要意义。

图5. PPGW的体外生物相容性评估

【在糖尿病小鼠模型中评估伤口愈合情况】

图6展示了PPGW水凝胶在糖尿病小鼠模型中促进伤口愈合的效果。实验结果显示，经过PPGW水凝胶和808nm近红外辐射处理的伤口在第7天就表现出显著的愈合速度，伤口面积比例显著小于其他处理组，表明PPGW水凝胶显著加速了糖尿病伤口的愈合过程。此外，组织学评估表明，PPGW水凝胶处理组在治疗的第3天和第7天显示出较轻的炎症反应和更多的胶原蛋白沉积，到第14天时，PPGW水凝胶处理组实现了完全的伤口愈合。这些结论证实了PPGW水凝胶在体内促进糖尿病伤口愈合的有效性，特别是在提高氧气供应、调节炎症反应和促进组织修复方面表现出显著的治疗效果。

图6. 在糖尿病小鼠模型中评估伤口愈合情况

【PPGW介导的光催化治疗对糖尿病伤口部位体内CD31、TNF-α和IL-10表达的影响】

图7探讨了PPGW水凝胶介导的光催化治疗对糖尿病伤口部位体内CD31、TNF-α和IL-10表达的影响。通过免疫组化染色评估了治疗后新生成皮肤组织中CD31（用于检测新血管生成）、TNF-α（炎症因子）和IL-10（抗炎因子）的水平。结果显示，与其它处理组相比，PPGW水凝胶加近红外辐射处理的实验组在第7天和第14天展现出了更多的血管生长和畸形，CD31阳性比例较高，表明其促进了新生血管的形成。同时，该处理组还有效降低了TNF-α的表达，并增加了IL-10的表达，促使炎症细胞中的巨噬细胞从M1型向M2型转变，从而发挥抗炎作用。这些结论证实了PPGW水凝胶不仅具有促进血管生成的能力，还通过调节炎症微环境中的关键细胞因子，显著提升了糖尿病伤口的愈合质量。

图7. PPGW介导的光催化治疗对糖尿病伤口部位体内CD31、TNF-α和IL-10表达的影响

【小结】

该研究开发了一种多功能的PPGW水凝胶敷料，该敷料具备调节血糖、抗菌、光热疗法、酶催化活性和氧气生成的能力，对于促进细菌感染的糖尿病伤口的有效愈合至关重要。通过密度泛函理论计算证实了PPGW水凝胶系统中氧空位的光催化氧气生成能力。体外细胞实验和体内组织切片染色证实了水凝胶的抗炎和促血管生成特性，能够降低TNF-α的表达并增加IL-10的表达，促使巨噬细胞从M1型向M2型转变，从而在14天内促进糖尿病伤口的完全愈合。因此，这种集光热、抗菌、酶催化控制血糖和光催化氧气生成能力于一体的PPGW水凝胶平台，为细菌感染的糖尿病伤口敷料提供了一个全面的解决方案，展现出在促进伤口愈合应用中的巨大潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202411117