本文于2024年7月2日在线发表于《Nano-Micro Letters》（2024）16:232，题为“Self-healing dynamic hydrogel microparticles with structural color for wound management”。论文的主要作者包括Li Wang（王丽）、Xiaoya Ding（丁晓雅）、Lu Fan（范璐）、Anne M. Filppula、Qinyu Li（李勤雨）、Hongbo Zhang（张宏博）、Yuanjin Zhao（赵远锦）和Luoran Shang（商珞然）。研究机构涵盖上海交通大学医学院附属瑞金医院普外科、东南大学生物科学与医学工程学院、南京鼓楼医院风湿免疫科、芬兰Åbo Akademi大学药物科学实验室、中国科学院大学温州研究院瓯江实验室以及复旦大学上海徐汇中心医院等。该研究提出了一种基于结构色水凝胶微球的自修复动态微球体系，用于慢性糖尿病伤口的智能管理，展现出优异的药物控释能力与组织修复效果。
一、研究背景与目的
慢性伤口，尤其是糖尿病引发的慢性创面，因持续的炎症反应、组织修复能力低下及易感染等特点，已成为临床治疗中的重大挑战。传统敷料虽然种类繁多，但在形状适应性、透气性、传感性能及药物释放可控性方面仍存在不足。水凝胶因其高含水率、良好的生物相容性和柔韧性被广泛用作伤口敷料，但常规块状水凝胶缺乏对不规则创面的自适应能力和精确的药物释放调控功能。近年来，基于反蛋白石结构的光子晶体材料因其周期性的有序多孔结构而具有光子带隙效应，能够产生结构色，且该结构色具有角度无关性，可用于药物释放过程的实时监测。同时，动态水凝胶通过可逆的化学键实现自修复和热响应特性，为构建智能伤口敷料提供了新的思路。本研究旨在结合反蛋白石微球的结构色特性与动态水凝胶的自修复和热响应能力，构建一种兼具药物控释、形貌适应、抗菌和促血管生成等多功能于一体的复合微球（CMPs），用于慢性糖尿病伤口的有效管理。
二、研究流程与实验方法
本研究的工作流程可大致分为以下五个主要步骤。
第一步，制备反蛋白石微球（IOMPs）。首先利用微流控乳液模板法，通过二氧化硅纳米颗粒在液滴内的自组装制备二氧化硅光子晶体微球（SPCMs）。随后，将这些SPCMs浸入由甲基丙烯酰化透明质酸（HAMA）、甲基丙烯酰化丝素蛋白（SFMA）和黑磷量子点（BPQDs）组成的预聚液中。预聚液在紫外光照射下固化后，利用氢氟酸刻蚀去除二氧化硅模板，最终得到具有三维有序多孔结构的反蛋白石水凝胶微球框架。该框架具有光子带隙效应，能够呈现结构色。
第二步，构建动态水凝胶填充材料。研究通过Knoevenagel缩合反应制备了由氰乙酸酯功能化葡聚糖（Dex-CA）与苯甲醛功能化葡聚糖（Dex-BA）交联而成的动态水凝胶。组氨酸被用作催化剂以促进反应。该水凝胶具有温敏特性，在37°C保持较高刚度，而在42°C左右转变为低刚度状态。研究者通过扫描电子显微镜（SEM）和流变仪对其形貌和流变学性能进行了表征，并确定6%浓度为最适合体内药物递送的体系。
第三步，制备复合微球（CMPs）。将干燥后的IOMPs浸泡在Dex-CA/BA预聚液中（不含组氨酸），通过离心或负压方式促进预聚液进入反蛋白石微孔的纳米通道中，随后加入组氨酸诱导快速凝胶化，形成填充有动态水凝胶的复合微球。为评价药物装载与释放能力，研究者分别用罗丹明B标记的抗菌肽eumenitin和FITC标记的牛血清白蛋白（FITC-BSA）作为模型药物，将其溶解于Dex-CA溶液中再进行填充。共聚焦荧光显微镜显示药物在CMPs内分布均匀。
第四步，体外性能测试。包括自修复与光热响应实验、药物释放实验、生物相容性评价、体外血管生成实验和体外抗菌实验。通过交替应变扫描实验（1%和300%）评估了动态水凝胶的自修复性能；通过循环近红外光照射实验验证了BPQDs的光热转换能力及CMPs的温度可逆响应；通过荧光显微镜监测药物释放过程，并记录反射光谱与CIE 1931色度图的变化，以评估结构色对药物释放的监测能力。溶血实验和CCK-8及活/死细胞染色实验分别评价了材料的血液相容性和细胞毒性。人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的管形成实验用于评估血管内皮生长因子（VEGF）在近红外光诱导释放后的促血管生成效果。抗菌实验则选取大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，通过活/死荧光染色和琼脂平板涂布法评估eumenitin释放后的抗菌性能。
第五步，体内慢性糖尿病伤口愈合实验。通过链脲佐菌素（STZ）腹腔注射构建Sprague Dawley大鼠糖尿病模型，并在大鼠背部制造直径1.5 cm的全层皮肤缺损并引入细菌悬液。实验分为对照组（PBS）、CMPs（无药）、CMPs载eumenitin、CMPs载VEGF、CMPs同时载eumenitin和VEGF以及CMPs同时载两种药物并接受近红外照射共六组。在术后第0、3、6、9和12天记录伤口图像并测量面积。第12天处死大鼠，收集伤口组织进行苏木精-伊红（H&E）染色、Masson染色、免疫荧光染色（CD31）和免疫组化染色（TNF-α），以评价组织再生、胶原沉积、炎症水平和新生血管形成情况。此外，研究者还通过皮下注射CMPs至健康大鼠体内以评估体内生物相容性。
三、主要研究结果
在材料制备方面，SEM图像显示SPCMs中的二氧化硅纳米颗粒呈六方密堆积排列，而经过水凝胶填充和刻蚀后，IOMPs保持了有序的互连多孔结构。反射光谱和CIE色度图表明，SPCMs、复合SPCMs、IOMPs和CMPs均具有明显的结构色，且CMPs的粒径分布均匀，略小于SPCMs。
在动态水凝胶性能方面，流变学测试显示Dex-CA/BA水凝胶在高应变下结构崩塌，应变恢复至1%时迅速恢复，证明其自修复能力。BPQDs赋予CMPs优异的近红外光热性能，反复照射后温度平台稳定。近红外光照射可显著促进药物释放。释放过程中，由于填充水凝胶部分释放及纳米孔道折射率变化，CMPs的结构色发生明显变化，其反射峰和色度均发生偏移，表明结构色能够用于实时监控药物释放。
体外实验中，IOMPs、块状Dex-CA/BA水凝胶及CMPs的溶血率均低于5%，表明血液相容性良好。NIH 3T3细胞在材料处理组中保持高活力，活/死染色结果与对照组相似，说明CMPs无细胞毒性。VEGF负载的CMPs在近红外照射组的HUVECs管形成能力最强，eumenitin负载的CMPs在近红外照射组对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭能力也最突出。这些结果说明近红外光热响应可有效调控药物释放，从而增强促血管生成和抗菌效果。
体内实验中，第12天时，载有eumenitin和VEGF并接受近红外照射的G V组伤口闭合率最高，H&E染色显示其伤口宽度最窄且上皮化最完整。Masson染色显示该组胶原沉积最致密且排列有序。CD31免疫荧光显示G V组新生血管数量最多。TNF-α免疫组化显示对照组和G I组炎症表达较高，而治疗组炎症水平显著降低。健康大鼠皮下注射CMPs后，主要器官H&E染色及血液学指标均未出现明显异常，证实了体内安全性。
四、结论与研究价值
本研究成功构建了一种基于结构色反蛋白石微球和动态水凝胶的自修复复合微球体系。该体系具有以下突出优点：其一，通过BPQDs介导的光热效应和Dex-CA/BA水凝胶的热可逆刚度变化，CMPs能够在近红外光照射下相互粘合，适应不规则伤口形状，同时保持较高的柔韧性和透气性；其二，通过同一机制可实现eumenitin和VEGF的可控释放，实现抗菌与促血管生成的协同治疗；其三，利用结构色的可视化变化可实时监测药物释放进程，为智能敷料提供了新的传感策略。
该研究的意义在于，它为慢性糖尿病伤口提供了一种集形貌自适、药物控释、抗菌、促血管生成和释放监测于一体的新型智能敷料方案。该体系不仅在材料设计和结构构建上具有创新性，而且在临床转化方面展现出广阔的应用前景。此外，研究中提出的“反蛋白石框架+动态水凝胶填充”的组合策略也为其他刺激响应型药物递送系统的设计提供了可借鉴的思路。
五、研究亮点
本研究的亮点主要体现在以下三个方面：第一，将反蛋白石微球与动态水凝胶相结合，首次实现了基于结构色微球的形状可重构自修复敷料的构建；第二，利用BPQDs的光热转换能力和动态水凝胶的热响应特性，实现了药物释放的精准时空控制，且释放过程可通过结构色变化进行可视化监控；第三，体内实验全面验证了该体系在慢性糖尿病感染伤口中的治疗效果，包括促进胶原沉积、减轻炎症、加速血管新生和上皮化等，证明了其在复杂病理微环境中的实际应用潜力。