基于血液成分的活性水凝胶（living hydrogel）用于促进伤口愈合的研究报告

第一作者及研究机构
本研究由南京医科大学附属儿童医院的Yuanyuan Jiang、温州医科大学第一附属医院转化医学联合中心的Xiangyi Wu、Åbo Akademi大学药物科学实验室的Xiaoju Wang、深圳大学医学部生物医学工程学院的Bin Kong（通讯作者）、南京大学医学院附属鼓楼医院的Jinglin Wang（通讯作者）以及温州医科大学第一附属医院的Hongbo Zhang（通讯作者）共同完成。研究成果发表于期刊*Materials Today Bio*（2025年6月，卷33，文章编号102002）。

学术背景与研究目标
急性皮肤伤口（acute skin wounds）由创伤、烧伤或手术引起，若处理不当可能发展为慢性伤口或感染。现有水凝胶敷料（hydrogel-based dressings）虽具有生物相容性和机械柔性，但功能单一，难以同时满足止血（hemostasis）和组织再生需求。血液中的血小板（platelets, Plts）和红细胞（red blood cells, RBCs）在伤口愈合中起关键作用：Plts介导止血并促进血管生成，RBCs持续供氧支持细胞代谢。受此启发，本研究开发了一种复合RBCs、Plts和黑磷量子点（black phosphorus quantum dots, BP QDs）的活性水凝胶，通过光热效应（photothermal effect）实现可控氧释放，并整合抗生素多黏菌素（polymyxin）赋予抗菌性能，旨在构建多功能伤口敷料。

研究流程与方法
1. 水凝胶制备与表征
- 材料合成：以明胶甲基丙烯酰基（gelatin methacryloyl, GelMA）为基质，通过光刻技术（photolithography）构建三维褶皱表面结构（3D pleated texture），以增强细胞负载效率。
- 功能化修饰：掺入BP QDs（0.075 mg/mL优化浓度）实现近红外（NIR）触发光热响应，并负载多黏菌素（100 IU/mL）提供抗菌活性。
- 细胞负载：从健康供体血液中分离RBCs和Plts（比例1:1，总量2×10^5个），预充氧后接种至水凝胶表面。
- 性能测试：通过扫描电镜（SEM）观察微观结构，流变仪测定力学性能，溶胀实验评估保水性，CCK-8法检测细胞活性。

1. 光热控氧与止血功能验证

   • 氧释放实验：在缺氧PBS中，NIR照射（3.5 W，10分钟/半小时）触发BP QDs升温，促使RBCs释放氧气（通过溶解氧仪监测）。结果显示，NIR组氧分压显著高于对照组（p<0.01）。
     
   • 止血评估：建立小鼠肝脏出血模型，对比PBS、GelMA及活性水凝胶组的失血量与止血时间。活性水凝胶组止血时间缩短50%，失血量减少70%（p<0.001），凝血时间（PT/aPTT）显著降低。
     

2. 抗菌与生物相容性测试

   • 抗菌实验：针对大肠杆菌（E. coli）及耐药菌株，多黏菌素水凝胶的抑菌圈直径达15 mm，活死染色显示细菌死亡率>90%。
     
   • 细胞毒性：NIH/3T3细胞与不同浓度多黏菌素共培养，100 IU/mL时细胞存活率>95%，高于安全阈值（ISO 10993-5）。
     

3. 体内伤口愈合评估

   • 动物模型：20只BALB/c小鼠背部全层皮肤缺损（直径0.6 cm），分为PBS、GelMA、活性水凝胶及活性水凝胶+NIR四组（n=8）。
     
   • 疗效分析：NIR组在第7天伤口闭合率达95%，显著快于对照组（p<0.001）。组织学显示，NIR组肉芽组织厚度增加2倍，CD31和α-SMA标记的血管密度提高3倍，炎症因子（IL-6、TNF-α）表达降低50%。
     

主要结果与逻辑关联
- 光热控氧机制：BP QDs的升温使氧解离曲线右移，促进RBCs释氧（Fig. 3d），为后续组织再生提供氧微环境。
- 协同止血与抗菌：Plts激活凝血级联，多黏菌素抑制感染，二者协同缩短炎症期，加速修复（Fig. 5e）。
- 结构功能一体化：3D褶皱表面提升细胞负载能力（SEM证实，Fig. 2g），力学测试显示G’>G’’（应变600%内稳定），适合动态伤口贴合。

研究结论与价值
1. 科学价值：首次将血液成分与光热材料结合，提出“活性敷料”概念，阐明氧控释与止血的协同机制。
2. 应用价值：为急性伤口（如烧伤、手术创面）提供多功能治疗方案，尤其适用于糖尿病足等缺氧性慢性伤口。
3. 临床意义：NIR触发按需释氧的设计可减少频繁换药，降低医疗成本。

研究亮点
- 创新性方法：光刻技术构建3D微结构，结合BP QDs实现NIR精准控氧（专利潜力）。
- 多功能集成：单一敷料同步解决止血、供氧、抗菌三大难题。
- 转化潜力：所有材料（GelMA、BP QDs）已获生物安全性认证，具备产业化基础。

其他有价值内容
- 耐药菌抑制：水凝胶对多重耐药E. coli的抑菌效果未受NIR影响（Fig. 4c），为耐药菌感染伤口提供新策略。
- 长期安全性：溶血率%（Fig. S10），主要器官H&E染色未见毒性（Fig. S12），符合医疗器械标准。

本研究为伤口修复领域提供了兼具生物学功能与工程学设计的解决方案，未来可扩展至其他缺血性疾病（如心肌梗死）的治疗。