关于一种葡萄糖激活级联释氧水凝胶用于MRSA感染糖尿病伤口微环境调控的研究报告
本研究报告由西安交通大学前沿科学技术研究院、材料力学行为国家重点实验室的徐慧茹（共同第一作者）、赵鑫（共同第一作者）、王佳欣、杨雨桐、黄圣飞、李猛，以及西安交通大学第二附属医院耳鼻咽喉头颈外科的郭保林（通讯作者）共同完成，研究成果发表于《Nano Today》期刊，于2025年12月18日在线发表，最终刊载于2026年第67卷。
一、 研究学术背景 本研究属于生物材料与再生医学交叉领域，聚焦于糖尿病慢性伤口这一临床重大难题。糖尿病伤口愈合困难的主要原因在于其异常复杂的微环境，具体表现为长期高血糖（Hyperglycemia）、过量的活性氧（Reactive Oxygen Species， ROS）以及组织缺氧（Hypoxia）。当前的治疗手段，如清创、负压治疗、高压氧疗和常规敷料，往往功能单一，无法针对性地同时改善糖尿病伤口的上述多重恶性微环境，治疗效果有限。因此，开发能够响应并主动调控伤口微环境以实现高效愈合的新型智能敷料具有迫切的临床需求。
基于此背景，本研究团队旨在设计一种能够响应糖尿病伤口特有微环境（高葡萄糖、高ROS）的智能水凝胶敷料。其核心科学目标是：通过整合具有级联催化反应（Cascade Reaction）功能的两种纳米酶（Nanozyme），构建一个“葡萄糖消耗-ROS清除-氧气释放”的协同治疗体系，从而系统性地纠正糖尿病伤口的病理微环境，并最终加速耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus， MRSA）感染的糖尿病伤口愈合。
二、 详细工作流程 本研究的工作流程系统且严谨，主要包含以下几个关键步骤：
步骤一：级联纳米酶的制备与表征 研究首先合成了两种核心纳米酶：1) GOx@Zn-MOF-74：采用温和的水相法，将葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase， GOx）封装在金属有机框架（Metal-Organic Framework， MOF）Zn-MOF-74中。这种封装策略保护了GOx免受温度、pH和蛋白酶干扰，并利用MOF的高比表面积提升了催化效率。2) MnO₂纳米片：作为另一种纳米酶被合成。 * 研究样本/材料：合成的Zn-MOF-74、GOx@Zn-MOF-74和MnO₂纳米片。 * 实验与方法：使用透射电子显微镜（TEM）观察形貌，X射线衍射（XRD）分析晶体结构，X射线光电子能谱（XPS）进行元素分析，热重分析（TGA）测定GOx负载量，Zeta电位仪测量表面电势。 * 数据分析：通过TEM图像确认GOx封装后纳米棒尺寸增大且更圆润；XRD图谱显示GOx的负载未改变Zn-MOF-74的晶体结构；XPS和Zeta电位证实了GOx的成功负载（出现N元素特征峰，负电性增强）；TGA计算得出GOx负载量约为1.52%，封装效率达75.19%。对MnO₂的表征也确认了其标准的层状结构和元素组成。
步骤二：响应性水凝胶的构建与理化性质表征 研究设计了一种由苯硼酸接枝的透明质酸（HP）和3，4，5-三羟基苯甲酸接枝的溶菌酶（LT）通过苯硼酸酯键交联形成的水凝胶基质（HP-LT）。该水凝胶作为载体，通过金属离子配位作用负载了上述两种纳米酶，最终得到目标水凝胶（命名为HP-LT/G/M，其中G代表GOx@Zn-MOF-74，M代表MnO₂，数字表示MnO₂的浓度）。 * 研究样本/材料：合成的一系列水凝胶，包括空白凝胶HP-LT、仅含GOx@Zn-MOF-74的HP-LT/G以及含有不同浓度MnO₂的HP-LT/G/M0.5、HP-LT/G/M1.0和HP-LT/G/M1.5。 * 实验与方法：通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振氢谱（¹H NMR）验证HP和LT的成功合成及苯硼酸酯键的形成。利用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶内部多孔结构，流变仪测试其机械性能、自愈合性和可注射性（剪切稀变行为）。评估水凝胶的溶胀率和在不同条件（PBS、高葡萄糖、高H₂O₂）下的体外降解行为。 * 数据分析：FT-IR证实了苯硼酸酯键的特征峰（1378 cm⁻¹）。SEM显示随着MnO₂浓度增加，凝胶孔径变小，交联密度增加。流变学测试证明水凝胶具有良好的自愈合能力（应变交替测试后模量恢复）和可注射性（粘度随剪切速率增加而下降）。降解实验关键性地证明了水凝胶对高葡萄糖和高H₂O₂的响应性：在含有15 mM葡萄糖或1 mM H₂O₂的PBS中，水凝胶的降解速度显著快于普通PBS，这归因于苯硼酸酯键在ROS和葡萄糖存在下的断裂，从而实现了纳米酶在病变部位的智能控释。
步骤三：体外生物相容性、抗菌性及细胞功能评价 在应用于动物模型前，对水凝胶的生物安全性及初步功能进行了全面评估。 * 研究样本/材料：水凝胶浸提液或水凝胶本身；小鼠成纤维细胞（L929）、红细胞、巨噬细胞（RAW264.7）、大肠杆菌（E. coli）和MRSA。 * 实验与方法： 1. 生物相容性：溶血实验评估血液相容性；CCK-8法和活/死细胞染色评估L929细胞毒性；将水凝胶植入SD大鼠皮下，通过H&E染色评估体内宿主反应。 2. 抗菌性：采用表面直接接触法，将水凝胶与细菌共培养2小时后，涂板计数菌落形成单位（CFU），计算抗菌率。 3. 细胞迁移：通过划痕实验，评估水凝胶浸提液对L929细胞迁移能力的影响。 4. 抗炎作用：用脂多糖（LPS）诱导RAW264.7巨噬细胞炎症模型，与水凝胶浸提液共培养后，通过实时定量PCR（qRT-PCR）检测炎症因子（IL-6， TNF-α）和抗炎因子（IL-10， TGF-β）的基因表达水平。 * 数据分析：所有水凝胶组溶血率低于5%，细胞存活率高于90%，体内植入后仅引发轻微且可消退的急性炎症，表明其良好的生物相容性。抗菌实验显示，HP-LT/G和HP-LT/G/M1.0对E. coli和MRSA的抗菌率均超过90%。划痕实验表明，HP-LT/G/M1.0组能显著促进细胞迁移（迁移率达42.41%）。抗炎实验结果显示，水凝胶能显著下调促炎因子、上调抗炎因子表达，展现出与地塞米松类似的抗炎效果。
步骤四：纳米酶及水凝胶的酶活性和细胞保护功能验证 此步骤旨在从生化层面证实设计的级联反应机制及其在细胞水平的效果。 * 研究样本/材料：游离纳米酶及复合水凝胶；化学探针（如DNS试剂测葡萄糖，Ti(SO₄)₂测H₂O₂， NBT测超氧阴离子·O₂⁻，水杨酸SA测羟基自由基·OH，甲基紫MV测过氧化物酶POD活性）；L929细胞。 * 实验与方法： 1. 多种酶活性检测：分别评估GOx@Zn-MOF-74的葡萄糖氧化酶（GOD）活性、MnO₂的过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）样活性及·OH清除能力。 2. 级联反应验证：将GOx@Zn-MOF-74与MnO₂共同与葡萄糖反应，监测葡萄糖消耗速率和氧气生成。 3. 细胞内功能：使用DCFH-DA探针检测水凝胶浸提液处理对H₂O₂刺激下L929细胞内ROS水平的清除效果；使用Ru(dpp)₃Cl₂探针检测水凝胶缓解细胞内缺氧的能力。 * 数据分析：实验证实了GOx@Zn-MOF-74具有GOD活性，而MnO₂具有CAT、SOD、POD样活性和强大的·OH清除能力。关键发现是：单独使用GOx@Zn-MOF-74时葡萄糖氧化速率较慢；当加入MnO₂后，反应速率显著提升。这是因为MnO₂将GOx产生的H₂O₂分解为O₂，O₂又反馈供给GOx继续氧化葡萄糖，形成了“葡萄糖氧化-H₂O₂生成-氧气再生”的加速循环（级联反应）。细胞实验显示，HP-LT/G/M1.0水凝胶能最有效地清除细胞内ROS并缓解缺氧状态。
步骤五：体内动物模型验证伤口愈合效果 这是验证水凝胶最终疗效的核心步骤。 * 研究模型：在2型糖尿病小鼠背部建立全层皮肤缺损伤口并接种MRSA，构建MRSA感染的糖尿病全层皮肤缺损模型。 * 实验分组与处理：小鼠随机分为四组：对照组（使用Tegaderm薄膜）、HP-LT组、HP-LT/G组、HP-LT/G/M1.0组。在伤口处施加相应敷料。 * 实验流程与观测： 1. 宏观观察：定期拍照记录伤口闭合情况，并使用ImageJ软件量化伤口面积。 2. 组织学分析：在术后第5、10、21天分别收取创面新生组织。 * H&E染色：评估炎症细胞浸润、表皮再生、肉芽组织厚度和真皮间隙。 * Masson三色染色：评估胶原沉积的量和排列情况。 3. 免疫荧光染色： * DHE：检测创面组织内ROS水平。 * TNF-α：评估炎症程度。 * HIF-1α：反映组织缺氧程度。 * VEGF：评估血管新生情况。 4. 体内抗菌评价：取创面组织进行细菌培养和计数。 5. 安全性评价：治疗21天后，取主要脏器进行H&E染色，评估全身毒性。 * 数据分析流程：所有定量数据以均值±标准差表示，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）进行组间比较，以*p < 0.05， **p < 0.01， ***p < 0.001表示显著性差异。
三、 主要研究结果 1. 纳米酶成功构建并具有优异级联催化活性：成功制备了GOx@Zn-MOF-74和MnO₂纳米片。两者组合展现出高效的级联反应：GOx@Zn-MOF-74氧化伤口处葡萄糖生成H₂O₂，MnO₂立即将H₂O₂（包括内源性和新生成的）催化分解为O₂。产生的O₂不仅缓解组织缺氧，还反馈促进GOx的持续催化，形成了良性循环，实现了对葡萄糖、ROS和缺氧的同时干预。 2. 智能响应水凝胶具有理想的理化与生物学特性：成功构建了基于HP和LT的响应性水凝胶。该凝胶具有可注射、自愈合特性，能完美贴合不规则伤口。最重要的是，其苯硼酸酯键交联网络能特异性响应糖尿病伤口的高葡萄糖和高ROS微环境，实现可控降解和纳米酶的靶向释放。体外实验证明该水凝胶具有良好的生物相容性、抗菌性（尤其HP-LT/G/M1.0组）并能促进细胞迁移。 3. 水凝胶在细胞层面有效改善氧化应激和缺氧：体外细胞实验表明，HP-LT/G/M1.0水凝胶能最有效地清除由H₂O₂诱导的细胞内过量ROS，并显著提升细胞内氧水平，证明了其纳米酶级联系统在细胞内的功能性。 4. 水凝胶在MRSA感染的糖尿病伤口模型中显著加速愈合：动物实验是本研究最有力的证据。 * 宏观愈合：HP-LT/G/M1.0治疗组的伤口闭合速度最快，在第21天几乎完全愈合，显著优于其他各组。 * 抗感染与抗炎：该组伤口感染迹象（脓液）最轻，体内菌落计数最低。组织DHE和TNF-α染色显示，其创面ROS水平和炎症程度均显著低于对照组和其他水凝胶组。 * 缓解缺氧与促进血管新生：HIF-1α染色显示该组缺氧程度最轻，VEGF表达最高，表明其氧气供应有效并促进了血管生成。 * 促进组织重塑：Masson染色显示该组胶原沉积最丰富、排列更有序；H&E染色显示其肉芽组织最厚、真皮间隙最小、皮肤附件（如毛囊）再生更完整。 * 安全性：所有治疗组未见明显的全身器官毒性。
这些结果层层递进：纳米酶的级联活性是功能基础，水凝胶的智能响应是递送保障，体外功能验证了机制可行性，最终在复杂的动物疾病模型上取得了协同增效的卓越治疗效果。所有数据逻辑连贯，共同支撑了研究结论。
四、 研究结论与价值 本研究成功开发了一种新型的、葡萄糖激活的级联释氧水凝胶敷料（HP-LT/G/M）。该敷料创新性地整合了两种具有级联催化功能的纳米酶（GOx@Zn-MOF-74和MnO₂），并将其装载于能响应伤口病理微环境的智能水凝胶中。
其科学价值在于：提出了一个“以彼之矛，攻彼之盾”的糖尿病伤口治疗新策略，即利用伤口本身过量的葡萄糖和ROS作为触发信号和反应底物，通过人工设计的纳米酶级联反应，将其转化为有利于愈合的氧气，同时消耗有害物质。这为针对复杂病理微环境的智能型生物材料设计提供了全新的思路和范式。
其应用价值十分明确：该水凝胶敷料作为一种多功能集成平台，能够一次性解决糖尿病伤口愈合面临的感染、高血糖、氧化应激和缺氧四大核心障碍。临床前研究表明其能显著加速感染性糖尿病伤口的愈合，具有巨大的临床转化潜力，为糖尿病慢性伤口的临床管理提供了强有力的候选解决方案。
五、 研究亮点 1. 创新性的治疗策略：首次报道了利用GOx@Zn-MOF-74和MnO₂纳米酶的级联反应来同时实现糖尿病伤口的葡萄糖消耗、ROS清除和氧气供应，这是一种协同、自供给的微环境调控策略。 2. 智能响应的材料设计：水凝胶基于苯硼酸酯键构建，能特异性地响应糖尿病伤口的高葡萄糖和高ROS微环境，实现治疗药物的按需释放，提高了治疗的精准性和安全性。 3. 功能与结构的巧妙集成：将抗菌肽（溶菌酶）通过共价交联引入材料并保持其活性；水凝胶兼具可注射、自愈合、抗菌、促细胞迁移、抗炎等多重功能，是一个高度集成的治疗平台。 4. 严谨完备的验证体系：研究从材料合成、理化表征、酶学机制、细胞功能到复杂的动物疾病模型，构成了完整而严谨的证据链，充分证明了该体系的可行性与有效性。
六、 其他有价值的内容 研究还深入探讨了MnO₂纳米酶高性能的结构-功能关系。通过电子顺磁共振（EPR）和比表面积（BET）分析，发现MnO₂纳米片中存在的氧空位和高比表面积是其具有低米氏常数（Km， 高底物亲和力）和高催化速率的重要结构基础。这种对纳米酶催化机理的深入理解，提升了工作的理论深度。此外，研究还验证了MnO₂在不同pH下酶活性的转换（酸性下表现为POD活性利于杀菌，中碱性下表现为CAT活性利于供氧），这使其能适应伤口愈合不同阶段的需求，体现了设计的智能化。