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針對上述問題，西安交通大學郭寶林團隊提出了一種葡萄糖激活的自切換酶類活性編程水凝膠，旨在解決糖尿病患者因血糖調節(jié)功能缺陷導致的慢性傷口愈合延遲問題。本文提出一種可編程水凝膠（CPAN-AMP），由苯硼酸修飾的殼聚糖（CP）、疏水性2-硝基咪唑（NI）修飾的藻酸鈉（AN）以及苯硼酸修飾的Au-MoS?（AMP）組成的可編程水凝膠，該材料具有葡萄糖激活的自切換酶樣活性，為感染性糖尿病創(chuàng)面愈合提供新途徑（圖1）。該技術可提高傷口愈合速率，約為市售敷料的三倍，并通過調節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)和分階段治療方案顯著促進慢性糖尿病創(chuàng)面愈合，為糖尿病傷口護理提供創(chuàng)新解決方案。該文章于2025年2月2日以《Glucose-Activated Programmed Hydrogel with Self-Switchable Enzyme-Like Activity for Infected Diabetic Wound Self-Adaptive Treatment》為題發(fā)表于《Advanced Materials》（10.1002/adma.202419158）。

圖1 葡萄糖激活型編程水凝膠促進感染性糖尿病創(chuàng)面愈合

（1）可編程水凝膠CPAN-AMP的制備與表征

圖像結果顯示，金納米顆粒分布在二硫化鉬納米片的表面（圖2A），元素分布的結果證實了Au和B元素的存在。金納米粒子包覆后，納米粒子的電位從-29.8 mV降至-0.7 mV，經4-巰基苯硼酸修飾后進一步降至-32 mV（圖2B）。封裝胰島素后的納米膠囊粒徑增大約189 nm（圖2C）。進一步評估了納米膠囊在常氧與缺氧下紫外-可見吸收峰的變化（圖2D）。隨著氧含量降低，NI在325 nm處的吸收峰顯著減弱，同時在260 nm處出現對應2-氨基咪唑的新特征峰。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）證實了甲苯在1647 cm?1處的特征峰（圖2E）。通過SEM圖像觀察到水凝膠的孔隙結構（圖2F）。隨著AMP濃度增加（圖2G），水凝膠的儲能模量（G′）從0.53 kPa分別升至約0.85、1.15和2.14 kPa，證實AMP參與了水凝膠模量的調控。隨后，也證實該水凝膠在剪切頻率增加時粘度迅速降低，從而能夠通過窄腔裝置有效輸送至深部病灶（圖2H）。在交替施加高低應變條件下，水凝膠能在短時間內恢復結構穩(wěn)定性，僅出現輕微模量損失。經歷三次自愈合過程后，其模量損失值仍保持在初始值的90%以上（圖2I）。水凝膠的宏觀自愈行為表明：切割后的水凝膠經拼接可恢復完整形態(tài)，且愈合界面呈現熔融狀（圖2J，L）。此外，該水凝膠可在葡萄糖環(huán)境中300秒內發(fā)生快速結構破壞，證實其作為刺激響應型釋放載體的潛在優(yōu)勢（圖2M）。

圖2 水凝膠的制備與表征。A）AMP納米酶的透射電子顯微鏡圖像及元素分布圖。B）納米酶的電位變化。C）AN與AN-I的動態(tài)光散射圖。D）缺氧與有氧條件下孵育的AN紫外-可見光譜。E）CP、AN、CPAN水凝膠及AMP納米酶的FT-IR光譜。F）水凝膠的SEM圖像與宏觀展示。G）CPAN-AMP的儲能模量（G′）與損耗模量（G″）流變學分析。H）CPAN-AMP剪切變稀測試。I）CPAN-AMP的自愈合特性。J）水凝膠自愈合演示。K）水凝膠皮膚粘附性演示。L）水凝膠自愈合機制示意圖。M）葡萄糖激活的水凝膠凝膠-溶膠轉變

（2）酶樣催化活性的評估

糖尿病傷口微環(huán)境復雜且易受細菌感染，在細菌感染階段提高ROS水平對抗菌治療至關重要。在傷口愈合階段降低ROS水平，從而緩解氧化應激（圖3A）。監(jiān)測CPAN-AMP在模擬高血糖環(huán)境中降低pH值的能力，AMP的比例與pH值下降呈正相關（圖3B）。通過模擬正常血糖環(huán)境進一步評估了O₂生成能力（釋放后的最大氧含量可達約19.6 mg L^-1，釋放速率可在30秒內達到10 mg L^-1（圖3C）。隨后評估了CPAN-AMP的Gox樣活性，以驗證其通過氧化葡萄糖產生H?O?的能力（圖3E）。隨著葡萄糖濃度的升高，氧化TMB在650 nm處的吸收峰顯著增強，證實CPAN-AMP能通過調節(jié)葡萄糖濃度來調控活性。圖3F表明CPAN-AMP通過CAT樣活性產生H?O?，進而參與了POD樣活性的催化反應。如圖3L所示，在常氧環(huán)境下，CPAN-AMP0經40 min釋放的胰島素峰值僅為6.15 μgmL^-1，經N2脫氧處理后，釋放量迅速升至常氧環(huán)境的約15倍。CPAN-AMP0的胰島素釋放量隨葡萄糖濃度升高而微增（圖3M），在400 mg dL^-1葡萄糖溶液中，CPAN-AMP4經6 h釋放后，胰島素釋放量約為100 mg dL^-1溶液的2.7倍，證實CPAN-AMP4通過催化葡萄糖分解加速環(huán)境氧消耗，可實現胰島素的活性釋放。

圖3 水凝膠的酶樣活性與智能胰島素釋放。A）水凝膠自切換納米酶活性的示意圖。B）水凝膠在模擬高血糖環(huán)境中的pH調節(jié)能力。C）水凝膠在模擬正常血糖環(huán)境下的氧釋放能力。D）水凝膠級聯酶活性示意圖。E）模擬高血糖環(huán)境下水凝膠的Gox樣活性。F）POD樣活性。G）Gox樣活性。H）SOD樣活性。I）CAT樣活性。J）DPPH清除能力。K）ABTS+清除能力。L）正常氧濃度與缺氧切換條件下水凝膠的胰島素釋放行為。M）磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）、正常血糖及高血糖條件下水凝膠的胰島素釋放性能。N）模擬正常血糖與高血糖條件下水凝膠的脈沖式胰島素釋放。O）胰島素的圓二色譜

（3）葡萄糖激活的CPAN-AMP抗菌評估

該水凝膠在模擬高血糖環(huán)境下對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和大腸桿菌的抗菌功效（圖4A-C），CPAN-AMP0展現出一定程度的固有抗菌性，表明殼聚糖保留了具有抗菌特性的氨基基團。摻雜AMP后，與CPAN-AMP0相比，CPAN-AMP1對大腸桿菌和MRSA的抗菌率為72.5%和55.5%。當水凝膠中AMP比例進一步增加至CPAN-AMP4時，對兩種細菌的抑制率均達98%和97.5%，基本實現細菌完全清除。如圖4D所示，生理鹽水中的細菌均呈現完整光滑的表面形態(tài)，經CPAN-AMP0處理的細菌表面出現輕微塌陷和收縮，經CPAN-AMP4處理的MRSA菌株產生明顯細胞碎片。結果證實CPAN-AMP通過破壞細胞膜機制發(fā)揮抗菌活性。通過DCFH-DA染色評估了細菌的氧化損傷（圖4F、H）。CPAN-AMP0組與生理鹽水組的ROS熒光強度無顯著差異。通過MRSA細菌生物膜進一步評估水凝膠的生物膜破壞效能（圖4G，I）。不出所料，CPAN-AMP4展現最顯著的深層滲透效果，表明其具有最強生物膜破壞能力。如圖4J所示，初始狀態(tài)下MRSA和大腸桿菌的電位分別為約-16.4 mV和-19.2 mV。經CPAN-AMP處理后，細菌表面電位均呈現不同程度上升。其中CPAN-AMP4處理變化尤為顯著，其電位分別升至-1.7 mV和-7.9 mV。上述結果證實CPAN-AMP能有效破壞細菌膜電位穩(wěn)態(tài)平衡。綜上所述，CPAN-AMP在高血糖環(huán)境下具有葡萄糖激活的殺菌活性，這對糖尿病創(chuàng)面的選擇性抗菌治療具有重要意義。

圖4 水凝膠的葡萄糖激活抗菌能力。A）不同處理后大腸桿菌和MRSA殘留菌落圖像。B）水凝膠對大腸桿菌的抗菌率。C）水凝膠對MRSA的抗菌率。D）大腸桿菌和MRSA的掃描電子顯微鏡圖像。E）大腸桿菌和MRSA的活/死染色圖像。F）大腸桿菌與MRSA細胞內活性氧染色。G）MRSA生物膜共聚焦顯微鏡圖像。H）大腸桿菌與MRSA活性氧熒光統計。I）水凝膠清除MRSA生物膜的效率。J）抗菌處理后大腸桿菌與MRSA的靜電勢。K）大腸桿菌與MRSA蛋白滲出量。L）抗菌機制示意圖

（4）細胞相容性與生物活性的評估

如圖5B、F所示，細胞經H?O?處理以誘導氧化應激。明顯可見，對照組產生大量ROS的綠色熒光，而CPAN-AMP處理組的熒光強度則不同程度減弱。熒光統計顯示，添加AMP使水凝膠顯著降低細胞內ROS熒光強度。同時探究了CPAN-AMP在正常血糖條件下通過產氧緩解細胞缺氧狀態(tài)的能力（圖5C，G），PBS組與CPAN-AMP0組呈現大量缺氧信號。向水凝膠中引入1 mg mL^-1的AMP濃度，已足以顯著增強產氧效果。隨著AMP比例增加，缺氧信號逐漸減弱。綜上所述，生理環(huán)境中的CPAN-AMP具有良好抗氧化活性，能清除周圍環(huán)境中的H?O?，防止細胞氧化應激，并主動供氧加速緩解缺氧狀態(tài)。如圖5H、I所示，經12 h處理后，TCP組的細胞遷移表現與CPAN-AMP0組相當。接下來，進一步驗證了CPAN-AMP促進HUVECs增殖的能力（圖5K，J）。在葡萄糖誘導激活氧釋放后，經CPAN-AMP4處理的細胞通透性顯著增強，且明顯優(yōu)于其他水凝膠組和TCP組。基于HUVECs的遷移性能，評估其血管生成潛力（圖5L），僅在TCP組形成少量管狀結構。相比之下，含AMP的水凝膠更顯著地促進了管狀結構的形成。隨著AMP濃度從1 mg mL^-1增加至4 mg mL^-1，細胞管狀結構愈加完善，管狀分支數量與長度均進一步增加。綜上所述，CPAN-AMP具有促進細胞增殖、遷移和血管生成的良好生物活性，使其在糖尿病創(chuàng)面愈合領域具有巨大應用潛力。

圖5 水凝膠的生物相容性與生物活性。A）CPAN-AMP生物活性的示意圖。B）DCFH-DA染色后的細胞內（ROS）圖像。C）通過氧探針驗證的細胞內氧生成檢測。D）紅細胞的光學顯微鏡圖像。E）水凝膠溶血率。F）細胞內ROS熒光統計。G）細胞內O?生成統計。H）經水凝膠處理的HUVECs劃痕顯微鏡圖像。I）HUVECs遷移率統計分析。J）HUVECs增殖率統計分析。K）HUVECs細胞增殖染色圖像。L）管狀結構形成圖像。M）管狀結構分支數量分析。N）管狀結構長度分析

（5）感染性糖尿病創(chuàng)面愈合效果評估

首先，使用鏈脲佐菌素（STZ）誘導小鼠糖尿病，并在其背部建立皮膚缺損并感染MRSA。實驗組包括不含胰島素的水凝膠（CPAN-AMP0、CPAN-AMP4）和含胰島素的水凝膠（CPAN-AMP0-I、CPAN-AMP4-I），并與市售Tegaderm敷料對照。如圖6B所示，在傷口愈合3天后，所有組別均出現不同程度的感染，CPAN-AMP4和CPAN-AMP4-I組的感染程度最輕。傷口閉合率統計顯示，CPAN-AMP4-I組的愈合效果最佳（圖6C、E）。隨后評估了不同處理方式下機體血糖變化：CPAN-AMP4-I設為第1組，CPAN-AMP0-I設為第2組，Tegaderm薄膜設為第3組。第1組血糖在1小時內降至正常水平（圖6G），并持續(xù)維持達11小時。此外，實驗期間未觀察到任何小鼠出現低血糖癥狀。這些發(fā)現表明CPAN-AMP4-I能通過快速酶聯催化反應產生缺氧環(huán)境，促進胰島素釋放，從而實現血糖調控。通過HE染色和Masson染色（圖6I-M）愈合3天后，Tegaderm薄膜組、CPAN-AMP0組及CPAN-AMP0-I組創(chuàng)面均可見大量炎癥細胞，這歸因于細菌感染及氧化應激作用。相反，CPAN-AMP4組炎癥程度減輕，CPAN-AMP4-I組炎癥細胞浸潤程度最低，原因是高血糖環(huán)境抗菌活性的激活以及胰島素的釋放抑制了炎癥因子。通過分析該階段膠原沉積水平，觀察到CPAN-AMP4組與CPAN-AMP4-I組的膠原沉積更加厚實致密，其中CPAN-AMP4-I組的膠原纖維排列更緊密。愈合21天后，各組基本完成創(chuàng)面閉合。相較于Tegaderm薄膜組，水凝膠治療組的真皮間隙更短，表明皮膚重塑程度有所提升?；谏鲜鰧嶒灲Y果，我們證實CPAN-AMP4-I通過促進糖尿病創(chuàng)面上皮化、膠原沉積及再生組織重塑，從而加速糖尿病創(chuàng)面愈合。

圖6 水凝膠的生物相容性與生物活性。A）CPAN-AMP生物活性的示意圖。B）DCFH-DA染色后的細胞內ROS圖像。C）通過氧探針驗證的細胞內氧生成檢測。D）紅細胞的光學顯微鏡圖像。E）水凝膠溶血率。F）細胞內ROS熒光統計。G）細胞內O?生成統計。H）經水凝膠處理的HUVECs劃痕顯微鏡圖像。I）HUVECs遷移率統計分析。J）HUVECs增殖率統計分析。K）HUVECs細胞增殖染色圖像。L）管狀結構形成圖像。M）管狀結構分支數量分析。N）管狀結構長度分析

（6）促進感染性糖尿病創(chuàng)面愈合的機制

傷口愈合3天后，CPAN-AMP4和CPAN-AMP4-I顯著降低了HIF-1α水平（圖7A、C），顯示出它們在緩解組織缺氧方面的顯著效果。研究通過二氫乙醌（DHE）染色評估了傷口內ROS水平。結果顯示，Tegaderm薄膜組ROS信號明顯較強，而CPAN-AMP4組的ROS水平顯著低于CPAN-AMP0-I組，表明AMP納米酶在抗氧化中起到了關鍵作用（圖7A、D）。接下來，研究還評估了創(chuàng)面愈合的早期炎癥反應，特別是治療3天后的IL-6水平。CPAN-AMP4與CPAN-AMP4-I兩組均出現IL-6熒光信號顯著下降（圖7A、E），其中CPAN-AMP4-I組炎癥浸潤程度明顯更低，證實CPAN-AMP4-I能有效緩解氧化應激并降低炎癥細胞因子的表達水平。為探索CPAN-AMP是否能夠調節(jié)巨噬細胞極化并緩解炎癥，結果顯示，水凝膠治療能有效促進M1巨噬細胞向M2表型轉化，CPAN-AMP4-I組的M1/M2比值最低，表明其在調控巨噬細胞向抗炎表型分化方面表現優(yōu)異（圖7B、F-H）。此外，CPAN-AMP4組和CPAN-AMP4-I組都能顯著促進VEGF的表達（圖7B、I），支持其對新生血管生成的促進作用。Tegaderm薄膜組和CPAN-AMP0組的Ki67表達較弱，而CPAN-AMP0-I組通過胰島素的作用促進了上皮細胞和成纖維細胞的增殖（圖7B，J）。相比之下，CPAN-AMP4組的Ki67表達顯著上調，表明納米酶的類酶活性在抗氧化和產氧作用下促進了細胞遷移。CPAN-AMP4-I組在促進Ki67表達方面表現出最佳穩(wěn)定性?？傮w來看，該水凝膠通過調控巨噬細胞極化、緩解缺氧、促進細胞增殖、加速上皮化過程、提升膠原沉積和血管生成，顯著改善糖尿病傷口的修復效果。

圖7 感染性糖尿病創(chuàng)面愈合機制評估。A）創(chuàng)面愈合3天后HIF-1α、DHE及IL-6染色圖像。B）創(chuàng)面愈合7天后iNOs、CD206、VEGF及Ki67染色圖像。C）HIF-1α熒光強度。D）組織ROS水平。E）IL-6熒光強度。F）M1型巨噬細胞比例。G）M2型巨噬細胞比例。H）M1/M2比值。I）VEGF熒光強度。J）Ki67熒光強度的定量統計分析。K）機制示意圖