激光诱导纳米酶生物燃料电池自供电贴片加速糖尿病伤口愈合及实时监测研究

作者及机构
本研究由青岛农业大学化学与药学院的Chengcheng Gu、Lei Zhang、Ting Hou、Qianqian Wang、Feng Li*和Panpan Gai*团队完成，发表于*Advanced Functional Materials*期刊（2025年，DOI: 10.1002/adfm.202423106）。

学术背景
糖尿病伤口是糖尿病常见并发症，因高血糖导致的氧化应激、慢性炎症和细菌感染而难以愈合。传统敷料无法同时满足伤口状态监测和动态治疗需求。本研究旨在开发一种兼具抗菌、降糖、电刺激和实时监测功能的多功能自供电贴片（Multifunctional Self-Powered Patch, MSPP），通过激光诱导纳米酶生物燃料电池（Glucose Biofuel Cells, GBFCs）将伤口局部高血糖转化为抗菌活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）和微电流，加速愈合并实现闭环管理。

研究流程
1. 纳米酶电极设计与制备
- 激光诱导纳米酶电极：以聚酰亚胺（PI）薄膜为基底，通过激光扫描技术原位制备金/硫化铜纳米颗粒-激光诱导石墨烯（Au/CuS-LIG）阳极和铂纳米颗粒-LIG（Pt-LIG）阴极。
- 表征与优化：通过扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）验证电极结构。阳极具有葡萄糖氧化酶（GOx-like）和过氧化物酶（POD-like）双活性，形成自级联催化系统；阴极具有漆酶（Laccase-like）活性，协同分解H₂O₂产生ROS。

1. 生物燃料电池（GBFC）构建与性能测试

   • 电化学性能：在0-20 mM葡萄糖浓度范围内，开路电压（EOCV）灵敏度达10.9 mV/mM，稳定性测试显示30天后活性保留90%。
     
   • 抗菌实验：以大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）为模型，GBFC处理30分钟后杀菌率达100%，优于单一纳米酶电极（阳极74%、阴极94%）。
     

2. pH传感器开发

   • 聚苯胺（PANI）修饰电极：灵敏度52.9 mV/pH，接近能斯特理论值（59.2 mV/pH），可实时校正葡萄糖检测结果，消除pH干扰。
     

3. 体内动物实验

   • 糖尿病大鼠模型：链脲佐菌素（STZ）诱导后，背部全层皮肤伤口接种细菌。MSPP治疗组10天内伤口完全愈合（100%收缩率），对照组仅68.2%。
     
   • 实时监测：贴片连续60分钟监测显示，治疗组血糖从17 mM降至7 mM，pH从7.8降至5.5，重建酸性微环境。
     

4. 组织学分析

   • H&E染色：治疗组第5天炎症细胞浸润减少，第10天表皮再生完整，厚度为对照组1.9倍。
     
   • Masson染色：胶原沉积量较对照组高1.7倍，CD31免疫荧光显示新生血管密度显著增加。
     

主要结果
- 纳米酶电极：Au/CuS-LIG阳极通过自级联反应消耗葡萄糖并生成ROS，Pt-LIG阴极协同增强抗菌效果。
- GBFC性能：稳定输出微电流（10.6 μA/cm²），电刺激促进细菌吸附至电极表面精准杀菌。
- 体内疗效：MSPP显著加速伤口愈合，并通过智能手机实时传输数据，实现闭环管理。

结论与价值
1. 科学价值：首次将激光诱导纳米酶技术与GBFC结合，解决了天然酶稳定性差的问题，为糖尿病伤口治疗提供了新策略。
2. 应用价值：无需外源药物即可实现抗菌、降糖和监测一体化，推动智能敷料向闭环系统发展。

研究亮点
- 技术创新：激光同步原位制备纳米酶电极，简化工艺并提升催化稳定性（10天后酶活性保留>90%）。
- 多功能集成：MSPP整合血糖调控、ROS杀菌、电刺激和pH/葡萄糖实时监测模块。
- 临床潜力：动物实验证实其快速愈合能力（10天100%愈合），为慢性伤口管理提供新工具。

其他价值
研究还探讨了未来方向，如集成更多传感器以应对复杂生理环境干扰，体现了其在个性化医疗中的扩展潜力。