这是一项关于双层壳聚糖基导电水凝胶与压电薄膜用于超声驱动伤口修复和减少瘢痕形成的原创研究，作者为Shiyuan Yao、Tiantian Chen、Zilin Liu、Lihong Fan等人，主要来自武汉理工大学三亚科教创新园、武汉理工大学化学化工与生命科学学院、武汉大学中南医院急救中心和武汉大学人民医院骨科。该研究发表于*Carbohydrate Polymers*第370卷，于2025年8月28日在线发表。

一、研究背景与目的

皮肤损伤后的愈合过程常常以瘢痕形成为终点，传统敷料如水凝胶或仿生敷料主要作为物理屏障或保湿支架，缺乏主动引导细胞行为的能力，难以同时实现快速修复与瘢痕抑制。近年来，压电材料因其能够在机械应力下产生局部电场而受到关注，该电场可以抑制成纤维细胞活性、调节胶原I/III比例，从而减少无序瘢痕组织形成。然而，单一压电薄膜缺乏生化复杂性和结构线索，难以完全模拟伤口微环境。水凝胶则因其多孔结构、渗出液吸收能力和保湿性能成为有前景的伤口敷料基材。壳聚糖因其生物相容性、抗菌性和化学可修饰性被选为水凝胶基底，但其本身缺乏足够的抗炎、抗氧化和促血管生成功能。因此，本研究旨在开发一种整合物理电刺激与生化调控的双层敷料，上层为[P(VDF–TrFE)]-BTO压电薄膜，下层为壳聚糖衍生物（CDMA）、改性细胞外基质（ECMMA）和CeO₂@PDA纳米颗粒组成的导电水凝胶，以期协同加速伤口愈合并抑制瘢痕形成。

二、研究流程与实验方法

研究首先制备了改性壳聚糖（CDMA），通过将3,4-二羟基苯丙酸接枝到壳聚糖上赋予其儿茶酚基团以增强粘附性，并引入甲基丙烯酸酐实现光交联能力。改性细胞外基质（ECMMA）则从新鲜猪肌腱中提取，经脱细胞处理后与甲基丙烯酸酐反应，获得可光交联的ECMMA。CeO₂@PDA纳米颗粒通过将聚多巴胺（PDA）包覆在氧化铈（CeO₂）表面制备，以提升生物相容性和导电性。压电薄膜[P(VDF–TrFE)]-BTO通过静电纺丝法制备，将钛酸钡（BTO）纳米颗粒嵌入P(VDF–TrFE)基体中以提高压电输出。双层敷料的制备是将CDMA、ECMMA和不同浓度CeO₂@PDA纳米颗粒混合溶液光交联形成水凝胶层，再将其与压电薄膜贴合。在材料表征方面，利用透射电镜（TEM）、动态光散射（DLS）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对CeO₂@PDA进行表征；采用苏木精-伊红（HE）染色评估脱细胞效果；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振氢谱（¹H NMR）确认ECMMA和CDMA的化学修饰；扫描电镜（SEM）观察水凝胶微观结构。力学性能通过压缩和拉伸试验评估，粘附性能通过搭接剪切试验检测。体外实验包括抗氧化能力检测（DPPH自由基清除和总抗氧化能力T-AOC）、抗菌实验（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）、溶血率测试、L929细胞毒性、划痕迁移实验、EdU增殖检测、巨噬细胞极化免疫荧光染色、线粒体膜电位（JC-1染色）以及人脐静脉内皮细胞（HUVEC）管形成实验和VE-cadherin免疫荧光染色。体内实验建立了大鼠全层皮肤缺损感染模型，将雄性SD大鼠随机分为7组：对照组、纱布组、CDMA组、C-E组、C-E-Ce5组、C-E-Ce5-PB组和C-E-Ce5-PB US组（超声刺激组），每组在伤口形成后第0、3、6、9、12天观察并计算伤口愈合率。超声组每天施加1 MHz、1.2 W/cm²的超声5分钟。第12天取伤口组织进行HE染色、Masson三色染色和天狼星红染色，分别评估表皮再生、新生血管、胶原沉积、胶原纤维取向及胶原I/III比例，并使用ImageJ软件和OrientationJ插件进行定量分析。

三、主要研究结果

在CeO₂@PDA纳米颗粒的表征中，TEM显示PDA成功包覆在CeO₂表面，DLS测得CeO₂平均直径为8.07 nm，包覆后增大至23 nm。XRD证实PDA包覆未改变CeO₂的立方萤石结构，XPS显示Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化态保留，这为其酶模拟抗氧化性能提供了基础。脱细胞效果验证中，HE染色显示脱细胞后组织中细胞核几乎完全消失，证实细胞成分被有效去除且ECM结构完整。FTIR和¹H NMR确认了ECMMA和CDMA的成功合成，ECM的甲基丙烯酰取代度约为23.5%，壳聚糖上儿茶酚基团的取代度约为7.2%，甲基丙烯酰基团的取代度约为31.7%。SEM观察显示，添加2.5 mg/mL CeO₂@PDA纳米颗粒后水凝胶孔径变得均匀且缩小，但浓度增至7.5 mg/mL时出现纳米颗粒聚集，孔径增大且均匀性下降。力学测试中，C-E水凝胶的压缩强度为311.87 kPa，C-E-Ce5提升至458.43 kPa，而C-E-Ce7.5因聚集导致结构破坏。压电薄膜的拉伸强度达3194.53 kPa，与双层敷料复合后进一步提升至3279.56 kPa。粘附测试中，C-E-Ce5的粘附强度较C-E提高了23.52 kPa，双层敷料对猪皮和压电薄膜的总粘附强度为65.45 kPa。抗氧化实验中，C-E-Ce7.5的DPPH清除率达87.48%，接近维生素C阳性对照的93.56%；T-AOC值在C-E-Ce7.5组达到最高78.456 μmol/g。抗菌实验表明，CDMA对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率分别为94.7%和92.3%，加入CeO₂@PDA后抗菌活性接近100%。所有样品溶血率均低于5%的安全阈值。细胞实验显示，所有组细胞活力在24、48和72小时均高于93%，超声激活的电场组无显著细胞毒性。划痕实验中，C-E-Ce5-PB US组细胞迁移率最高。EdU增殖检测中，CDMA、C-E和CeO₂@PDA纳米颗粒的引入显著增加了增殖细胞数量。巨噬细胞极化实验中，LPS诱导的M1型标志物CD86显著上调，而CDMA和C-E组可部分减弱M1极化，C-E-Ce5-PB US组炎症水平最低。JC-1染色显示，CeO₂@PDA纳米颗粒能显著恢复线粒体膜电位，减轻TBHP诱导的氧化损伤。HUVEC管形成实验中，C-E-Ce5和C-E-Ce5-PB组显著促进管样结构形成，C-E-Ce5-PB US组血管生成能力最强，VE-cadherin表达也相应增强。压电输出测试中，[P(VDF–TrFE)]-BTO薄膜在0.7、0.95和1.2 W/cm²超声强度下的峰值电压分别为1.186 V、1.5 V和2.558 V；与凝胶复合后峰值电压分别衰减至0.589 V、0.923 V和1.45 V，这归因于水凝胶的阻尼效应。体内伤口愈合实验中，第3天C-E组开始表现出更好的愈合趋势；第6天C-E-Ce5和C-E-Ce5-PB US组伤口面积显著小于其他组；第12天C-E-Ce5-PB US组几乎完全愈合。组织学分析显示，C-E-Ce5-PB US组的肉芽组织厚度最大（1696 μm），新生血管密度最高，胶原沉积最多且胶原纤维排列更有序。天狼星红染色表明，加入CeO₂@PDA后III型胶原向I型胶原转化显著加速，超声处理组I型胶原排列更为规则，提示瘢痕程度降低。

四、结论与研究价值

该研究成功构建了一种整合压电物理刺激与导电水凝胶生化调控的双层伤口敷料。在超声刺激下，上层压电薄膜产生电场，通过抑制成纤维细胞增殖和调节胶原沉积减少瘢痕；下层水凝胶凭借壳聚糖衍生物的结构支撑、组织粘附与抗菌活性，ECMMA的细胞粘附与再生支持，以及CeO₂@PDA纳米颗粒的抗氧化、抗炎和促血管生成作用，为伤口愈合创造了有利微环境。体内实验证实，该敷料能显著加速感染伤口闭合、改善胶原组织排列、优化胶原I/III比例并减少瘢痕形成。这一策略为下一代伤口护理提供了将物理刺激与生物材料引导再生相结合的有效途径，在再生医学中具有广泛的临床应用潜力，特别是在需要快速愈合和瘢痕预防的急慢性伤口治疗中。

五、研究亮点

本研究的创新之处在于：第一，首次将P(VDF–TrFE)/BTO压电薄膜与含CeO₂@PDA的壳聚糖-ECM互穿网络水凝胶整合为双层敷料，实现物理电刺激与生化调控的协同；第二，CeO₂@PDA纳米颗粒同时赋予敷料抗氧化、抗炎和促血管生成三重功能，并作为物理交联点优化水凝胶网络结构；第三，通过超声驱动的压电效应产生可控电场，避免了传统电刺激需要外接电源的不便，且电场强度可通过超声功率调节；第四，体内实验采用感染性全层皮肤缺损模型，更贴近临床复杂伤口情况，验证了该敷料在抗感染、促愈合和减瘢痕方面的综合优势。