方案 1. 构建用于糖尿病伤口愈合的诊断和治疗水凝胶的示意图。
糖尿病是全球十大慢性代谢性疾病中的第一位，并伴有许多严重的并发症。约20%的糖尿病患者创面愈合不良。过多的ROS，如过氧化氢（H2O2）、羟基自由基（·OH）和超氧阴离子（O2-），已被证明可诱导氧化应激，从而影响细胞活性和延缓伤口愈合。由于CeO2表面存在丰富的氧空位，Ce3+和Ce4+可以可逆转化，因此CeO2可以作为一种ROS清除剂。此外，CeO2材料可以刺激细胞增殖和迁移，在治疗糖尿病伤口上显示出巨大的潜力。细菌感染是阻碍糖尿病伤口愈合的另一个关键因素。光热疗法是替代传统抗生素治疗的一种方法，因此该研究选择硫化钼（MoS2）这种光热转化能力强的光热剂达高效抗菌的作用。同时，MoS2可以通过与额外的ROS反应来清除ROS。pH值与细菌感染和血管生成等生理过程有关。监测伤口pH值可以明确伤口状态，为细菌的感染提供早期预警。基于碳量子点（CDs）的pH传感器具有操作简单、响应速度快和生物相容性好的特点。因此，通过诊疗结合，实时监测伤口组织的pH值变化，及时进行精准治疗，促进糖尿病创面愈合。
该研究通过酰胺化反应构建了硫辛酸修饰壳聚糖（LAMC）水凝胶，并将具有多巴胺结构的氧化铈-二硫化钼纳米颗粒（C@M@P）和水热合成的碳量子点（CDs）一起负载到水凝胶中，从而开发出一种诊断和治疗水凝胶（LAMC/CD-C@M@P）。通过引入CDs，该水凝胶在紫外光下表现出对pH的高度敏感性和可逆性。此外，水凝胶的图像可以使用智能手机收集并转换为伤口pH信号，为早期检测细菌感染提供了一种方法。同时，LAMC/CD-C@M@P水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有光热抗菌能力，并具有显著的抗氧化和抗炎能力，以缓解氧化应激和减轻炎症反应。该成果以“A Multifunctional Hydrogel with Photothermal Antibacterial and Antioxidant Activity for Smart Monitoring and Promotion of Diabetic Wound Healing”为题发表于Advanced Functional Materials期刊。
本文的通讯作者是来自武汉理工大学的戴红莲教授。戴红莲教授长期从事生物医用材料及其医疗器械的研发，主要包括组织修复与再生材料、纳米生物复合材料、可注射生物材料、磁性生物材料及药物控释材料等。
图1.水凝胶的智能pH监测功能。A）水凝胶在紫外光（365 nm）下的荧光强度变化。B）水凝胶在不同激发波长下的荧光强度。C）水凝胶在不同pH值（365 nm激发波长）下的荧光强度。D）荧光强度与pH值之间的线性关系。E）水凝胶在pH值为4至9（365 nm激发波长）内的可逆性。F）将图像转换成RGB信号。G）G+B与pH值的拟合曲线。
图2.复合水凝胶的表征。A）粘合强度试验示意图。B）水凝胶的粘合强度。C）复合水凝胶的可压缩性。D）水凝胶在pH为7.4的PBS中的溶胀比。E）水凝胶在pH为7.4的PBS中的降解性能。水凝胶的ROS清除率：F）H 2 O 2 、G） · OH 和 H）O 2 - 。
图3.复合水凝胶的光热和抗菌性能。A）水凝胶的光热升温曲线。B-D）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌实验中的图像和定量数据。E）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的SEM图像。
图4.复合水凝胶的体外细胞相容性和细胞迁移。A）L929细胞B）HUVECs孵育1、3、5天后的细胞存活率。D）孵育24小时后L929细胞的活/死染色。E）不同时间（0、12、24 h）的细胞迁移照片和C）相应的定量数据。
图5.复合水凝胶的抗氧化和抗炎作用。A）H 2 O 2 处理的L929细胞的细胞存活率。B）H 2 O 2 处理后L929细胞内ROS水平。C）细胞内ROS水平的荧光强度。D）白细胞介素-1 β （IL-1 β ）、E）诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、F）TNF- α 、G）人精氨酸酶-1（Arg-1）、H）转化生长因子- β （TGF- β ）和I）白细胞介素-10（IL-10）的相关基因表达。K）第7天PC12细胞的免疫染色图像。J） β 3-微管蛋白的荧光强度。
图6.水凝胶在糖尿病伤口中的体内研究。A）治疗大鼠糖尿病伤口的实验程序。B）糖尿病伤口的建立、监测和治疗的示意图。C）不同时期伤口的代表性照片。D）体内pH监测。E）第3天各组的细菌存活率。F）不同时期不同组的伤口愈合率。G）不同组的伤口愈合过程示意图。
图7.伤口组织的组织学分析A）H&E染色和B）Masson染色在第14天的显微照片。C）伤口长度和D）胶原沉积的统计分析。
图8.A）IL-6、B）CD31在不同组织创面中第七天的免疫荧光染色结果。C）巨噬细胞、D）CD31和 β 3-微管蛋白在不同创面组织中第14天的免疫荧光染色结果。E）IL-6、F）CD31、G）CD86、H）CD206、I）CD31和J） β 3-微管蛋白在第14天的荧光强度。
综上所述， 该研究 提出了一种具有pH监测、光热抗菌、抗氧化和抗炎性能的新型诊断和治疗水凝胶。在壳聚糖基水凝胶中掺入 CDs 使其具有光致发光，其荧光强度随pH值的 变化 而变化。这一特性使水凝胶可以作为pH传感器，通过荧光信号 精准 地检测伤口的pH值，为评估伤口状态提供了一种方法。LAMC/CD-C@M@P水凝胶在体外表现出良好的机械性能、光热转换能力和近红外 下 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能。此外，复合水凝胶还能有效 缓解氧化应激 ，减轻炎症反应，改善糖尿病创面微环境，促进糖尿病创面愈合。因此， 该 研究为糖尿病创面提供了一种新的诊疗一体化治疗策略。
全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202402531
本 文 作者： 蒙春慧
责任编辑： 马乾
校对： 王越
来源：Zhen Group