机械响应性CHS@ZnO2/Fe3+水凝胶通过激活Piezo1介导的胞葬作用促进糖尿病创面愈合

《Bioactive Materials》：Dynamically responsive hydrogel with mechanical stimulation enhances diabetic wound healing via activation of Piezo1-mediated efferocytosis

本研究针对糖尿病创面微环境紊乱、炎症持续及机械信号调控不足等难题，开发了一种pH/ROS双响应性CHS@ZnO2/Fe3+动态水凝胶。该材料通过Zn2+/Fe3+离子释放与网络重构实现力学性能自增强，并激活Piezo1/YAP通路促进巨噬细胞M2极化及胞葬作用，显著加速上皮再生与胶原沉积。该研究为慢性创面治疗提供了“力学-生化”双调控新策略。

　　

糖尿病创面愈合一直是临床面临的重大挑战，尤其糖尿病足溃疡（DFU）患者因持续高血糖导致微环境紊乱，出现炎症失控、活性氧（ROS）过度积累及血管生成受损等问题，传统治疗方法难以协调愈合过程中的动态调控需求。针对这一难题，上海交通大学医学院附属第六人民医院骨科团队在《Bioactive Materials》发表研究，设计了一种新型双网络动态响应水凝胶（CHS@ZnO₂/Fe³⁺），通过整合机械刺激与生化调控，显著提升糖尿病创面愈合效率。

研究团队通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析糖尿病足溃疡患者组织样本，发现非愈合创面中巨噬细胞胞葬作用（efferocytosis）相关基因显著下调，而纤维细胞外基质（ECM）重塑功能紊乱。为模拟创面微环境动态变化，研究人员构建了以壳聚糖（chitosan）、透明质酸（hyaluronic acid）和海藻酸钠（sodium alginate）为基质的双网络水凝胶，并嵌入ZnO₂/Fe³⁺纳米颗粒。该材料在酸性或ROS富集环境下可触发Zn²⁺/Fe³⁺离子释放，其中Fe³⁺与海藻酸钠羧基发生二次交联，增强水凝胶力学强度。关键技术包括：动态力学性能测试（流变学与压缩实验）、离子释放动力学分析、体外细胞共培养模型（巨噬细胞/纤维细胞/内皮细胞）、免疫荧光染色（评估细胞极化与胞葬作用）、Western blot（检测Piezo1/YAP通路蛋白表达）及糖尿病大鼠全层皮肤缺损模型验证愈合效果。

2.1. 糖尿病足溃疡的差异基因表达特征

单细胞测序显示，非愈合DFU中巨噬细胞比例升高而纤维细胞比例降低，且氧化应激与胞葬作用通路显著失调。愈合组中AXL、GAS6等促愈合基因高表达，而非愈合组中炎症相关基因（如IL13RA1）及Wnt通路抑制因子SFRP2异常高表达，表明纤维细胞功能紊乱是愈合障碍的核心因素。

2.2. CHS@ZnO₂/Fe³⁺的制备与表征

水凝胶具备均匀三维多孔结构，ZnO₂/Fe³⁺纳米颗粒粒径约93 nm，表面电位因Fe³⁺修饰发生改变。生物相容性实验显示，该材料支持细胞高存活率与增殖，无显著毒性。

2.3. 降解行为与力学增强

在pH 5.5环境下，水凝胶呈现Zn²⁺爆发式释放与Fe³⁺持续释放，后者通过离子交联提升存储模量（G′）与压缩强度。同时，水凝胶有效清除巨噬细胞内ROS，并调节乳酸代谢，逆转糖酵解主导的M1表型。

2.4. 抗炎极化与胞葬作用增强

体外实验表明，CHS@ZnO₂/Fe³⁺水凝胶通过增强基质刚度激活Piezo1/YAP通路，促进巨噬细胞对凋亡中性粒细胞的吞噬，并上调CD206⁺M2型巨噬细胞比例，抑制TNF-α、IL-6等促炎因子分泌。

2.5. 纤维细胞活化与细胞间通讯

水凝胶直接培养模型中，纤维细胞核内YAP translocation显著增加，且细胞迁移速度提升至73.6%（对照组37.5%）。巨噬细胞条件培养基进一步诱导纤维细胞α-SMA、COL1高表达，并促进内皮细胞CD31表达与血管生成。

2.6. 体内创面愈合评价

糖尿病大鼠模型中，CHS@ZnO₂/Fe³⁺组第12天创面闭合率达95%，显著高于对照组（78%）。组织学分析显示该组上皮再生完整、胶原沉积密集且血管结构成熟。

2.7. RNA-seq分析

转录组学证实，CHS@ZnO₂/Fe³⁺处理上调皮肤发育、ECM重组及整合素介导的黏附通路，同时富集吞噬作用相关基因。

2.8. 体内巨噬极化与纤维细胞功能调控

免疫荧光显示，水凝胶治疗组M2/M1巨噬细胞比值显著提高，且凋亡细胞清除效率增强。Piezo1表达与YAP核转位水平同步上升，表明力学信号传导驱动愈合进程。

本研究通过构建智能响应性水凝胶，首次将微环境调控与机械刺激耦合，证实了Piezo1介导的胞葬作用在糖尿病创面愈合中的核心地位。该策略不仅解决了慢性创面炎症滞留难题，还通过力学信号促进组织再生，为生物材料设计提供了“力学-免疫”双靶点调控新范式。未来需在更接近临床的复杂模型（如感染合并缺氧）中验证其长期安全性，以推动转化应用。