《Biomaterials Advances》：A suture-free, microenvironment-adaptive hydrogel actively orchestrating inflammation-to-regeneration transition for abdominal wall defect repair
编辑推荐：
腹部壁缺损修复中，研究者开发了一种免缝、微环境响应的多功能水凝胶（CFPE-EXOS），通过动态Schiff碱和硼酸酯交联技术结合羧甲基壳聚糖和聚乙烯醇，实现自愈、低膨胀和长期机械稳定性。该水凝胶响应酸性/氧化性微环境，早期快速释放EGCG抑制炎症和氧化应激，后期持续释放BMSCs-Exos促进M2型巨噬细胞极化、血管生成和胶原沉积，动物实验显示其修复效果优于聚丙烯网片且无疝复发。
朱新辉|江世豪|刘江|李瑞冰|黄浩楠|张立鹏|饶思宇|周泰成|唐福新|宗振
江西省南昌大学第二附属医院胃肠外科，中国江西省南昌市330006
摘要
由于术后炎症、感染、组织再生能力差以及传统网片仅提供被动机械支撑的局限性，腹壁缺损修复在临床上仍然具有挑战性。本研究开发了一种无需缝合、能响应微环境的多功能水凝胶（CFPE-EXOS），以主动促进腹壁再生。该水凝胶由羧甲基壳聚糖和聚乙烯醇通过动态Schiff碱和硼酸酯交联反应制成，具有优异的组织黏附性、自愈能力、抗肿胀性能和长期机械稳定性。重要的是，CFPE-EXOS能够在酸性和氧化性伤口微环境中实现表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和骨髓间充质干细胞衍生的外泌体（BMSCs-Exos）的时空可控释放。EGCG在早期炎症阶段迅速释放，发挥抗菌和抗氧化作用；随后持续释放的外泌体通过激活PI3K/AKT/HIF-1α/VEGF通路促进巨噬细胞向M2型极化、血管生成和组织重塑。体外实验表明，CFPE-EXOS具有优异的生物相容性、止血能力和抗氧化活性。在大鼠全层腹壁缺损模型中，与聚丙烯网片相比，CFPE-EXOS显著降低了炎症程度，增强了新生血管形成和胶原沉积，并实现了更好的修复效果，且无疝气复发。这项工作标志着腹壁修复从被动加固向主动、智能再生的转变，凸显了响应微环境水凝胶的转化潜力。
引言
由创伤、肿瘤切除或感染引起的腹壁缺损是胃肠外科和疝气手术中的主要挑战，常导致疝气复发、感染、粘连形成和生活质量下降[1] [2]。尽管目前临床标准是使用合成网片进行无张力修复，但现有材料无法充分满足腹壁再生的生物学需求[3]。聚丙烯网片虽然提供持久的机械支撑，但由于其生物惰性和不可降解性，常引发慢性炎症、粘连形成和感染[4] [5] [6]。相比之下，生物网片虽然生物相容性更好，但成本较高、机械强度不足且复发率较高[7] [8] [9]。值得注意的是，这两种网片都属于被动植入物，无法调节炎症、血管生成或适应pH值和活性氧（ROS）波动的动态伤口微环境。此外，疝气修复材料的固定方式也是增加手术复杂性和术后并发症的关键因素。目前的固定方法主要使用缝合线、钉书钉和钛钉等侵入性工具，这些工具在穿刺点可能产生应力集中，导致瘢痕形成[10]。近年来，非侵入性固定方法受到广泛关注。交联剂如纤维蛋白、氰基丙烯酸酯和N-羟基磺基琥珀酰亚胺（NHS）/N-(3-二甲氨基丙基)-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）已被用于构建生物材料与组织之间的连接[11] [12]，但手术胶的黏附强度和生物相容性难以达到理想平衡[13]。
水凝胶因其模拟细胞外基质的结构、高含水量以及能够原位释放生物活性因子而成为组织修复的有希望的候选材料[14] [15] [16]。近年来，开发出了具有动态交联化学键（如Schiff碱键和硼酸酯键）的组织黏附性水凝胶，这些水凝胶还具有自愈能力，能够应对组织运动带来的机械挑战[5] [17]。例如，单宁酸和多巴胺修饰的水凝胶通过酚羟基与组织表面基团的多种相互作用增强湿润黏附强度[18] [19]，双重动态交联策略进一步优化了机械稳定性和响应性[20]。然而，这类材料仍需在黏附强度、机械支撑和生物功能调节之间取得平衡，以满足高腹内压力下的长期修复需求[21] [22]。同时，多功能网片是腹壁修复材料的另一个重要发展方向，它们通过利用材料本身的特性（如壳聚糖的抗菌活性[23]、聚己内酯的可降解性[24]）或负载生物活性因子（如抗生素[25]、生长因子[26]、干细胞衍生物[27]）来克服传统网片的被动支撑局限，从而主动参与组织再生。不过，现有水凝胶在功能因子释放的时空可控性和多功能性与机械强度、膨胀及降解行为之间的平衡方面仍面临挑战[14] [28]。因此，需要开发具有动态微环境响应能力的自黏附多功能网片来修复腹壁缺损。
羧甲基壳聚糖（CMCS）具有天然的抗菌和抗炎特性，但机械强度和组织黏附性不足[18] [29]。聚乙烯醇（PVA）可提高机械完整性，而使用2-甲酰苯硼酸（2-FPBA）进行动态共价交联可制备出可注射、自愈且能响应pH值和ROS变化的水凝胶[20] [30] [31]。有效的腹壁再生需要主动调节炎症和血管生成。表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）具有强大的抗氧化、抗菌和抗炎作用，可缓解早期氧化应激和感染[32] [33]；骨髓间充质干细胞衍生的外泌体（BMSCs-Exos）可促进巨噬细胞极化、血管生成和细胞外基质重塑，同时避免细胞疗法的安全风险[34] [35] [36]。
本文报道了一种无需缝合的多功能水凝胶（CFPE-EXOS），用于智能腹壁缺损修复（图1）。该水凝胶通过简单的“一锅法”由CMCS、PVA和2-FPBA制备，具有组织黏附性、自愈能力、低膨胀性和机械稳定性。重要的是，CFPE-EXOS能够实现EGCG和BMSCs-Exos的微环境响应性释放，依次调节炎症、血管生成和组织再生。全面的体外和体内实验表明，CFPE-EXOS兼具止血、抗菌、免疫调节和促血管生成功能，为下一代腹壁修复提供了有前景的策略。
材料
聚乙烯醇1799（PVA-1799，醇解度98–99 mol%，水分含量约1.4 wt%）、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和2-甲酰苯硼酸（2-FPBA）购自Macklin公司。Cell Counting Kit-8（CCK-8）、Calcein AM/PI双染色试剂盒、羧甲基壳聚糖（CMCS）和磷酸盐缓冲液（PBS，0.01 M，pH 7.4）购自大连美仑生物科技有限公司（中国大连）。PKH-26购自上海茂康生物科技有限公司（中国上海）。
BMSCs-Exos的提取与表征
透射电子显微镜（TEM）分析显示，BMSCs-Exos呈球形或杯状结构，具有双层囊泡结构（图1A）。核磁共振（NTA）分析表明，BMSCs-Exos的平均直径约为147.5 nm，与已知的外泌体尺寸范围一致（图1B）[22]。Western blot分析证实其含有跨膜标记物分化簇9（CD9）、溶酶体相关膜蛋白3（CD63）和管腔标记物肿瘤易感性基因101（TSG101）。
结论
我们开发了一种无需缝合、能响应微环境的水凝胶（CFPE-EXOS）用于腹壁修复。动态Schiff碱和硼酸酯交联作用赋予其良好的黏附性、自愈能力、低膨胀性和长期机械稳定性，实现无需缝合的可靠固定。CFPE-EXOS能够响应酸性和氧化性微环境，快速释放EGCG以抑制炎症和氧化应激，随后持续释放BMSCs衍生的外泌体以促进巨噬细胞向M2型极化。
作者贡献声明
朱新辉：撰写初稿、项目管理、研究设计、概念构思。
江世豪：撰写与编辑、项目管理、研究设计、概念构思。
刘江：撰写与编辑、项目管理、研究设计、概念构思。
李瑞冰：数据可视化、监督。
黄浩楠：资源提供。
张立鹏：数据分析。
饶思宇：数据分析。
周泰成：数据可视化、验证、监督。
唐福新：数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：82260596）、江西省自然科学基金（项目编号：20242BAB25506）、江西省卫生健康委员会科技计划（项目编号：202410246）、中国博士后科学基金（项目编号：2023M741523）、江西省中医药管理局科技计划（项目编号：2024A0028）的支持。
