一般来说，糖尿病伤口以高血糖、缺氧、炎症延长、氧化应激水平升高为特征，导致创面愈合困难，血管生成受阻，创面炎症增加。针对此多重特征，同时具备抗菌活性、血糖调节和促进血管生成功能的多功能敷料是目前所需要的。在本研究中，通过将聚多巴胺（PDA）、葡萄糖氧化酶（GOx）和氧化钨（WOx）纳米线嵌入聚γ-谷氨酸（γ-PGA）框架内，制备了一种具备这些特性的新型水凝胶复合材料（γ-PGA/PDA/GOx/WOx，简称PPGW）。PDA出色的光热转换性能显著增强了对细菌感染糖尿病伤口的抗菌效果；GOx通过消耗葡萄糖并产生过氧化氢（H2O2）来调节高血糖；而WOx纳米线在808纳米近红外辐射下展现出卓越的光催化能力，可将H2O2转化为氧气（O2）。通过密度泛函理论计算和实验验证了WOx介导的光催化分解H2O2产生O2的机制。这些转化有效缓解了糖尿病伤口的缺氧环境，加速了血管生成，促进了细胞的爬行与增殖。因此，具备光热、抗菌及酶催化活性的多功能水凝胶敷料PPGW能够有效降低伤口部位的高血糖水平。此外，光催化产氧为治疗慢性细菌感染的糖尿病伤口提供了一个极具前景的策略。
示意图 1 (a) PPGW水凝胶制备工艺示意图；(b) PPGW水凝胶的糖尿病创面愈合机制示意图
通过溶剂热法制备了WOx（示意图1a）。不同温度焙烧构造了不同氧空位浓度的WOx。PDA能够通过其多种基团（如苯酚羟基、儿茶酚、苯环和胺基）自适应地形成多种非共价相互作用，如氢键作用、阳离子-π相互作用和芳香相互作用。在没有PDA的情况下，γ-PGA水凝胶无法形成，而是保持液体状态。这表明PDA在γ-PGA的凝胶化过程中起到了至关重要的作用，PDA通过其羟基与γ-PGA的羧基之间的氢键相互作用形成了网络结构（示意图1a）。通过使用PPGW水凝胶可以在糖尿病伤口中实现级联反应。首先，GOx氧化葡萄糖，生成H₂O₂以降低葡萄糖浓度。随后，WOx光催化分解生成的H₂O₂，生成O₂并改善糖尿病伤口的缺氧状态（示意图1b）。
图2 PPGW水凝胶产O2行为、WOx几何结构的理论模拟及WOx光催化途径：(a)不同OV浓度下WOx的H2O2消耗；(b)不同水凝胶的紫外可见光谱；(c)不同水凝胶的升温曲线；d)近红外辐照5次（808 nm, 0.5 W/cm2, 10 min）下PPGW水凝胶的热稳定性；(e)不同水凝胶生成H2O2；(f)不同水凝胶的H2O2耗量；(g) H2O2活化的催化途径，说明了光催化活性；(h)不同过渡态对应的能量分布为了阐明钨氧化物中含有氧空位（OVs）的光催化行为，进行了密度泛函理论（DFT）计算以模拟H₂O₂分解生成O₂的过程。首先，计算了H₂O₂、•OH、•OOH和O₂在WO₃和WOx表面吸附和分解的不同过渡态，以模拟H₂O₂分解生成O₂的过程。分子动力学结果表明，富含氧空位的WOx比WO₃更易分解H₂O₂并生成O₂，这与实验观察结果一致。此外，本文提出了H₂O₂催化分解的反应路径（图2g）。最后，计算了对应不同过渡态的能量分布，如图2h所示。结果表明，前两个能量减少的步骤是放热且自发的过程，剩余步骤是吸热且非自发的过程。•OH转化为•OOH的步骤涉及最高的能量增加，成为整个反应过程的限速步骤。值得注意的是，WO₃需要吸收2.55 eV来克服临界能量障碍以完成整个反应，而WOx则仅需吸收2.17 eV。由此可见，由于氧空位的存在，整个反应的临界能量障碍降低，从而提高了催化活性。
图3糖尿病小鼠模型创面愈合评价：(a)糖尿病创面模型建立及水凝胶处理过程；(b)伤口的照片和伤口愈合的痕迹；(c)创面闭合评估(P值采用单因素方差分析方法计算，*** P < 0.001；****p < 0.0001)。数据以平均值±SD表示。(d)不同处理组新生皮肤组织第14天的H&E染色和(e) Masson染色。b和c的实验分别重复了三次，结果相似。PPGW水凝胶具备多功能特性，能够有效促进糖尿病伤口的愈合。为评估其愈合效果和生物相容性，本研究采用了糖尿病伤口模型（图3a）。图3b展示了伤口的照片及愈合痕迹，说明了伤口修复的过程以及不同水凝胶处理的效果。图6c则呈现了糖尿病伤口面积的定量分析。值得注意的是，接受PPGW水凝胶治疗并且经过808 nm NIR照射的伤口在第七天的愈合速度显著快于其他四组。对照组、PP、PPW、PPG和PPGW组的伤口面积比例分别为43.7%、36.7%、36.3%、35.7%和21.7%。即便经过14天的治疗，对照组、PP、PPW和PPG水凝胶治疗的糖尿病伤口愈合速度依然缓慢。在NIR（−）组中，伤口愈合几乎没有变化，基本可以得出结论，材料在没有NIR照射的情况下并不促进伤口愈合。此外，伤口皮肤在第14天进行了细菌培养测试。另有实验显示，对照组存在高浓度的金黄色葡萄球菌，阻碍了伤口愈合。相比之下，四个实验组的细菌数量显著减少。值得一提的是，接受PPGW+NIR处理的皮肤上的金黄色葡萄球菌被完全消灭。这一体内实验强调了PPGW水凝胶在显著加速伤口愈合及其体内光热抗菌活性方面的重要作用。因此，PPGW水凝胶有效促进了细菌感染的糖尿病伤口愈合。所开发的多功能PPGW水凝胶敷料具有血糖调节、粘附、生物相容性、抗菌活性和产氧等特性，这些特性对于细菌感染的糖尿病伤口的有效愈合至关重要。DFT计算证明了PPGW水凝胶系统中OV的光催化产氧能力。值得注意的是，水凝胶的抗炎和血管生成特性已通过体外细胞实验和体内组织切片染色得到证实。TNF-α表达的降低和IL-10表达的增加将巨噬细胞极化为M2表型，这促进了细菌感染的糖尿病伤口在14天内完全愈合。因此，可以设想，PPGW水凝胶平台具有光热、抗菌、酶催化血糖控制和光催化产氧能力，在细菌感染的糖尿病伤口敷料中具有广阔的应用潜力，为增强伤口愈合提供了全面的解决方案。本研究工作得到宁波市重点科研项目（2023Z210）；宁波市自然科学基金（202003N4006）；国家自然科学基金项目（52473265）；陕西省杰出青年科学基金项目（2023-JC-JQ-32）等项目资助。
李鹏，教授，博士生导师，西北工业大学柔性电子研究院副院长，西安市生物医学材料研究中心主任。李鹏教授课题组针对各类微生物感染和病菌耐药性日益增强的威胁，专注于抗菌生物材料与柔性器件这一研究领域。在Nat. Mater.、Adv. Mater.、Sci. Adv.等期刊发表论文100余篇，总他引6000余次；出版英文专著4章节，授权/申请专利20余项；主持国家级项目5项、省部级项目10余项。担任陕西省柔性电子学会副秘书长，全国疝和腹壁外科协会第13分会副主任委员，中国生物材料学会高级会员及生物医用高分子、表界面工程、康复器械与生物材料分会委员，J. Mater. Sci. Technol.客座编辑，FlexMat、Smart Mater. Med.编委，Sci. China Mater.青年编委。
张悦周，副教授，博士生导师，2014年于芬兰赫尔辛基大学荣获博士学位。之后，相继在澳大利亚莫纳什大学、墨尔本大学及芬兰奥博学术大学开展博士后研究工作，2019年初入职西北工业大学。研究重心围绕人民生命健康，尤其针对社会普遍关注的重大疾病，如肿瘤与细菌感染。长期以来，专注于化疗-光动力/光热诊疗一体化技术的探索，并致力于先进纳米药物递送系统的开发。至今，已在Adv. Mater.、Angew. Chem.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Healthcare Mater.、J. Controlled Release等高水平期刊上发表论文40余篇，同时，获得了5项专利授权并提交了12项专利申请。累计主持及参与了超过10项科研项目，其中包括国家、陕西省重点研发计划及宁波市自然科学基金等项目。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202411117
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