糖尿病伤口愈合新策略：基于级联纳米酶的喷雾水凝胶敷料研究

作者及发表信息
本研究由华南理工大学材料科学与工程学院张欣怡、杨媛、苏建宇、钟华及方立明*（通讯作者）团队完成，发表于*ACS Applied Materials & Interfaces*期刊2025年第17卷，页码20968–20979。研究得到广东省自然科学基金（2024A1515012629）和国家自然科学基金（82372375）等支持。

学术背景
糖尿病慢性伤口因高糖微环境导致晚期糖基化终末产物（AGEs）与活性氧（ROS）的恶性循环，阻碍伤口修复。现有敷料多针对单一病理特征（如抗菌或抗氧化），但忽略AGEs-ROS循环对线粒体功能障碍和细胞衰老的驱动作用。本研究旨在开发一种可喷雾的级联纳米酶水凝胶（ZCGG），通过同步消耗葡萄糖、释放抗菌锌离子（Zn²⁺）和抗氧化二氧化铈（CeO₂）纳米颗粒，阻断AGEs-ROS循环，促进伤口再生。

研究流程与方法
1. 材料设计与合成
- 纳米酶构建：以沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）为载体，封装CeO₂纳米颗粒并吸附葡萄糖氧化酶（GOx），形成(ZIF-8@CeO₂)@GOx（ZCG）级联纳米酶。通过SEM、TEM、XRD验证其结构（图S2）。
- 水凝胶制备：将ZCG负载于甲基丙烯酸酐改性明胶（GelMA）中，形成可喷雾的ZCGG敷料。其透明性支持伤口实时监测（图S2i）。

1. 体外功能验证

   • 级联反应机制：在葡萄糖溶液中，GOx催化葡萄糖氧化为葡萄糖酸，降低pH至6.2，触发ZIF-8分解释放Zn²⁺（47%释放率，3小时）和CeO₂（图1c）。CeO₂通过Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环清除DPPH自由基（76%清除率，6小时），并抑制AGEs生成（图1g）。
     
   • 抗菌实验：针对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli），1 mg/mL ZCGG使存活率分别降至14%和7%（图2b-c）。SEM显示Zn²⁺破坏细菌膜完整性（图2e）。
     
   • 细胞实验：在高糖/ROS环境下，ZCGG恢复NIH-3T3成纤维细胞线粒体膜电位（MMP），减少42.8%的衰老细胞（图4d-f），并促进细胞迁移（Transwell实验显示迁移量提升1.6倍，图3e）。
     

2. 体内疗效评估

   • 动物模型：建立细菌感染的糖尿病大鼠皮肤伤口模型，分组为空白对照、GelMA、ZG（ZIF-8/GelMA）、ZCG和ZCGG，每5天更换敷料（图5a）。
     
   • 愈合效果：ZCGG组14天实现伤口完全闭合（对照组残留28%未愈合），AGEs水平降低68%，胶原沉积增加1.9倍（图5f）。免疫荧光显示ZCGG促进M2巨噬细胞极化，上调VEGF和TGF-β表达（图6b）。
     

主要结果与逻辑关联
- 级联反应验证：GOx驱动的pH下降触发Zn²⁺和CeO₂的时序释放，实现葡萄糖消耗、抗菌和抗氧化协同作用（图1）。
- 抗衰老机制：CeO₂清除ROS并保护线粒体功能，逆转高糖诱导的成纤维细胞衰老（图4），为体内愈合提供细胞基础。
- 动物实验闭环：ZCGG通过减少炎症（CD86↓/CD206↑）、促进血管生成和胶原重塑，加速伤口从炎症期向增殖期转化（图5-6）。

结论与价值
1. 科学价值：首次提出通过级联纳米酶阻断AGEs-ROS循环的策略，阐明Zn²⁺-CeO₂-GOx协同作用机制，为糖尿病伤口治疗提供新靶点。
2. 应用价值：ZCGG喷雾敷料兼具可操作性（实时监测、按需补充）和多功能性（抗菌/抗氧化/抗糖基化），临床转化潜力显著。

研究亮点
- 创新设计：ZIF-8的pH响应性分解实现Zn²⁺/CeO₂的时序释放，避免传统纳米酶的活性损失问题。
- 多效合一：单一系统整合葡萄糖代谢调控（GOx）、抗菌（Zn²⁺）和抗氧化（CeO₂）功能，突破现有敷料的局限性。
- 机制深度：从AGEs-ROS循环、线粒体功能到细胞衰老，系统解析ZCGG促进愈合的分子路径（图4-6）。

其他价值
- 方法学贡献：开发了ZCG在GelMA中的优化负载工艺（1 mg/mL为最佳浓度，图3b），兼顾安全性与疗效。
- 扩展应用：该级联设计可适配其他金属有机框架（MOFs）和酶系统，用于类似病理微环境（如动脉粥样硬化）的干预。

（注：文中引用图表编号与原文一致，辅助数据可参考支持信息*Sı Supporting Information*。）