本文于2024年4月21日在线发表在期刊 *Advanced Functional Materials*（*Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2402531*）上，题为“A Multifunctional Hydrogel with Photothermal Antibacterial and Antioxidant Activity for Smart Monitoring and Promotion of Diabetic Wound Healing”。该项研究由武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室、湖北省生物材料工程技术研究中心的王悦（Yue Wang）、刘昆（Kun Liu）、魏文英（Wenying Wei）和戴红莲（Honglian Dai*）教授团队主导，戴红莲教授同时隶属于佛山仙湖实验室。研究聚焦于生物医学工程和先进材料领域，针对糖尿病伤口愈合过程中面临的持续氧化应激和细菌感染两大核心挑战，旨在开发一种集诊断与治疗于一体的创新性伤口敷料。
糖尿病伤口愈合迟缓是全球性的重大健康问题。与正常伤口愈合经历的止血、炎症、增殖和重塑四个有序阶段不同，糖尿病伤口因其独特的微环境而愈合受阻。高血糖会导致活性氧（ROS）过度产生，引发持续性炎症；同时，伤口局部pH值会因微血管渗漏而升高，从正常的弱酸性（pH 5-6）转变为碱性，这为病原菌生长提供了有利条件，增加了感染风险，形成氧化应激、炎症和感染相互加剧的恶性循环。目前临床上虽有一些治疗策略，如局部胰岛素注射或使用二甲双胍等药物来降低血糖和调节炎症，但存在剂量需精准控制、潜在副作用等问题。水凝胶作为一种类软组织材料，已被广泛用作伤口敷料，但单一功能的水凝胶难以应对糖尿病伤口复杂且动态变化的微环境。因此，开发一种能够实时监测伤口状态（如pH值），并同时具备抗菌、抗氧化、抗炎等多重功能的“诊疗一体化”智能水凝胶平台，对于糖尿病等慢性伤口的管理具有迫切需求和重要意义。本研究的目标即是构建这样一种多功能水凝胶，实现伤口pH的智能监控，并通过光热抗菌和活性氧清除协同作用，精确调控伤口微环境，从而有效促进糖尿病伤口愈合。
研究的主要流程包含水凝胶的构建、表征、体外功能验证及体内动物实验四个核心部分，具体如下： 首先，研究团队设计并合成了一种多功能复合水凝胶（LAMC/CD-C@M@P）。其构建过程分为几个关键步骤： 1. 材料合成与功能化： * 碳量子点（CDs）的制备：采用水热法，以柠檬酸和氨水为原料，合成了氮掺杂的碳量子点，其平均直径约为3.43 ± 1.26纳米。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等手段确认了其成功合成及表面官能团（如C=O、C-O、C-N等）。 * 复合纳米颗粒（C@M@P）的制备：首先，分别通过水热法制备了二氧化铈纳米颗粒（CeO2 NPs）和二硫化钼纳米片（MoS2）。随后，将二者复合形成CeO2@MoS2（C@M）。最后，通过多巴胺在碱性条件下的氧化自聚合，在C@M表面包裹一层聚多巴胺（PDA）涂层，得到C@M@P纳米颗粒。聚多巴胺层旨在提高纳米颗粒的生物相容性。同样使用XRD、XPS、透射电镜（TEM）等手段对产物进行了表征，证实了CeO2和MoS2的共存以及PDA的成功包覆，并测定了Ce³⁺/Ce⁴⁺的比值。 * 水凝胶基质的改性：通过酰胺化反应，将硫辛酸（LA）接枝到壳聚糖（CS）上，得到硫辛酸修饰的壳聚糖（LAMC）。硫辛酸的引入克服了壳聚糖在中性和碱性环境下溶解性差的问题，并赋予了其抗氧化特性，同时使得LAMC溶液能够在紫外光（365 nm）照射下通过二硫键的断裂与重组快速形成水凝胶。 2. 水凝胶的构建与物理化学表征：将上述合成的CDs和C@M@P纳米颗粒分散于LAMC溶液中，在紫外光照射下交联，最终获得负载了CDs和C@M@P的复合水凝胶（LAMC/CD-C@M@P）。作为对照，也制备了不含CDs或不同纳米颗粒的其他水凝胶。研究对水凝胶的微观结构（扫描电镜SEM显示多孔网络）、凝胶时间、机械性能（粘附强度、压缩模量）、流变学特性（储能模量G’和损耗模量G”）、溶胀性能和体外降解行为进行了系统表征。 3. 体外功能验证实验： * 智能pH监测功能：利用荧光光谱仪研究了水凝胶在不同pH缓冲液（pH 4-9）中的荧光强度变化。通过智能手机采集水凝胶在紫外灯下的荧光图像，并使用图像处理软件提取其红绿蓝（RGB）值，建立了RGB值与pH之间的线性拟合方程，从而实现了通过智能手机图像实时、无创地监测pH值。 * 光热性能与抗菌实验：使用808纳米近红外激光照射水凝胶，监测其温度变化，评估光热转换效率和稳定性。选取金黄色葡萄球菌（*S. aureus*，革兰氏阳性）和大肠杆菌（*E. coli*，革兰氏阴性）作为模型细菌，通过菌落计数法评估水凝胶在有无近红外光照下的抗菌性能。并使用扫描电镜观察经处理后的细菌形态变化。 * 活性氧清除能力：通过化学方法检测水凝胶对过氧化氢（H₂O₂）、羟基自由基（·OH）和超氧阴离子（O₂⁻）三种主要活性氧的清除率。 * 生物相容性与细胞功能实验： * 细胞毒性：使用小鼠成纤维细胞（L929）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs），通过CCK-8法和活/死细胞染色评估水凝胶提取物的细胞相容性。 * 细胞迁移：通过划痕实验评估水凝胶对HUVECs迁移能力的影响。 * 抗氧化保护：建立H₂O₂诱导的L929细胞氧化应激模型，通过CCK-8法和细胞内ROS荧光探针（DCFH-DA）检测，评估水凝胶提取物对细胞的保护作用。 * 抗炎与巨噬细胞极化：使用脂多糖（LPS）刺激小鼠巨噬细胞（RAW264.7）建立炎症模型，通过实时荧光定量PCR检测M1型（促炎，如iNOS、TNF-α、IL-1β）和M2型（抗炎/修复，如Arg-1、TGF-β、IL-10）巨噬细胞相关标志物的基因表达变化。 * 神经分化促进：收集经不同处理的巨噬细胞条件培养基，培养大鼠嗜铬细胞瘤细胞（PC12），通过免疫荧光染色检测神经元特异性标志物β3-微管蛋白的表达，评估水凝胶在炎症环境下促进神经分化的潜能。 4. 体内动物实验： * 模型建立：通过腹腔注射链脲佐菌素（STZ）诱导雄性SD大鼠形成糖尿病模型。在模型成功（血糖持续高于16.7 mM）后，于大鼠背部创建全层皮肤缺损伤口，并接种金黄色葡萄球菌以模拟感染性糖尿病伤口。 * 分组与处理：将大鼠随机分为三组：空白对照组（无敷料）、LAMC水凝胶组和LAMC/CD-C@M@P水凝胶组。将水凝胶前驱液注入伤口并在紫外光下固化。 * 监测与治疗：在术后0-3天，利用水凝胶的荧光特性，通过智能手机图像监测伤口局部pH值变化。当监测到pH升高（提示感染风险）时，对LAMC/CD-C@M@P组伤口进行近红外光照射（维持约50°C，10分钟）的光热治疗。 * 效果评估：定期拍照记录伤口愈合情况，计算伤口闭合率。在特定时间点（如第3、7、14天）取材，进行以下分析： * 细菌负荷：取伤口组织匀浆进行菌落计数。 * 组织学分析：通过苏木精-伊红（H&E）染色观察伤口长度和炎症细胞浸润情况；通过马松三色（Masson）染色评估胶原沉积情况。 * 免疫荧光分析：检测伤口组织中炎症因子（IL-6）、血管内皮标志物（CD31）、巨噬细胞表型标志物（M1型：CD86；M2型：CD206）以及神经标志物（β3-微管蛋白）的表达。
研究的主要结果及逻辑关系如下： 在材料构建与表征阶段，成功合成了目标产物。水凝胶显示出良好的多孔结构、适宜的粘附力（约41.22 kPa）和机械强度。负载纳米颗粒后，水凝胶的溶胀比有所提高。更重要的是，CDs的引入赋予了水凝胶卓越的pH响应荧光特性，其荧光强度在pH 4-9范围内随pH升高而增强，且具有良好的可逆性和线性关系（R²值高）。据此建立的RGB值（G+B）与pH的线性方程（pH = 0.1328 (G + B) – 41.66），为智能手机智能监控奠定了基础。
在功能验证阶段，结果环环相扣。首先，光热与抗菌结果显示，LAMC/CD-C@M@P水凝胶在近红外光照下表现出高效的光热转换（10分钟内升温至62.3°C，转换效率约39.40%）和出色的光热稳定性。体外抗菌实验证实，该水凝胶结合近红外光照，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀灭率接近100%，显著优于未光照组及其他对照组。扫描电镜观察到经光热处理后细菌细胞膜严重破损，内容物外流，直接证明了光热杀伤机制。这为后续体内通过监测pH异常（预示感染）后启动光热治疗提供了强有力的体外依据。
其次，抗氧化与生物相容性结果显示，该复合水凝胶对H₂O₂、·OH和O₂⁻均表现出显著的清除能力，这主要归功于CeO₂（通过Ce³⁺/Ce⁴⁺价态循环模拟过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性）和MoS₂的协同作用，以及硫辛酸本身的抗氧化性。细胞实验中，水凝胶提取物显示出极高的生物相容性（细胞存活率>95%），并能有效促进内皮细胞迁移。在氧化应激模型中，它能显著提高H₂O₂损伤细胞的存活率，并降低细胞内ROS水平，证明了其细胞保护作用。
再者，抗炎与促修复结果至关重要。在巨噬细胞炎症模型中，LAMC/CD-C@M@P处理显著下调了M1型标志基因（iNOS, TNF-α, IL-1β）的表达，同时上调了M2型标志基因（Arg-1, TGF-β, IL-10）的表达，表明其能促进巨噬细胞从促炎的M1型向抗炎/促修复的M2型极化。这一效应直接关联到后续的神经分化实验：使用经该水凝胶处理的巨噬细胞条件培养基培养PC12细胞，可显著促进其向神经元样分化（β3-微管蛋白表达大幅增加），这为水凝胶促进伤口神经再生提供了机制解释。
最后，体内动物实验整合并验证了所有体外功能。首先，智能pH监测成功实施，数据显示伤口pH在早期（第1-2天）从酸性升高至碱性，在启动光热治疗后（第3天）迅速回落，与商用pH计的测量结果高度一致，证实了该水凝胶作为无创诊断工具的可行性。其次，光热治疗显著降低了伤口部位的细菌载量。最终，与对照组和纯LAMC组相比，LAMC/CD-C@M@P组展现出最快的伤口闭合速率（第14天愈合率达94.73%）、最短的伤口长度、最少的炎症细胞浸润、更丰富的胶原沉积、更低的IL-6表达、更高的CD31阳性血管密度，以及更强的CD206（M2）和β3-微管蛋白（神经）表达。这些结果形成了一个完整的证据链：智能监测发现感染迹象（pH升高）→触发精准光热治疗清除细菌→同时水凝胶持续清除ROS、抗炎并促进巨噬细胞M2极化→改善的微环境促进血管新生、胶原合成和神经再生→最终加速糖尿病伤口愈合。
本研究的结论是，成功开发了一种新型“诊疗一体化”多功能水凝胶（LAMC/CD-C@M@P）。它创新性地将pH传感（CDs）、光热抗菌（C@M@P NPs）和抗氧化/抗炎（C@M@P NPs及LAMC）功能集成于一体。该水凝胶不仅能通过智能手机实现伤口pH的无创、实时监控，为早期预警细菌感染提供了简便工具，还能通过按需启动的光热疗法有效杀灭细菌，并通过清除活性氧、调节免疫（促进M2型巨噬细胞极化）来协同改善糖尿病伤口的不良微环境，从而在动物模型中显著促进了包含血管和神经再生的全方位伤口愈合。
本研究的亮点和价值在于：1. 高度的集成性与创新性：首次将碳量子点pH传感与铈-钼复合纳米颗粒的光热/抗氧化/抗炎功能结合于一种水凝胶中，实现了“监测-治疗”闭环，是智能伤口敷料设计的重大进步。2. 精准的按需治疗策略：基于实时监测的pH信号触发光热治疗，实现了治疗的精准化和个性化，避免了不必要的干预。3. 多机制协同治疗：不仅对抗细菌感染，更深入调控了氧化应激和免疫炎症这两个影响糖尿病伤口愈合的核心病理环节，从根源上改善愈合微环境。4. 强大的促修复效果：实验证实了该水凝胶在促进血管新生和神经再生方面的独特优势，这对恢复伤口的功能至关重要。5. 良好的临床转化潜力：所使用的材料（壳聚糖、聚多巴胺、碳点等）大多具有良好生物相容性，且智能手机监控方案成本低廉、操作简便，极具应用前景。该研究为慢性伤口，尤其是糖尿病足溃疡的管理提供了一种全新的、有效的综合解决方案。