《Carbohydrate Polymers》：A self-healing, pH/glucose-responsive carboxymethyl chitosan and oxidized bacterial nanocellulose hydrogel for insulin and taurine delivery in diabetic wound healing
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糖尿病慢性创面因局部胰岛素抵抗、高血糖及活性氧堆积难以愈合。本研究开发了一种基于羧甲基壳聚糖（CCS）和氧化细菌纳米纤维素（OBC）的双响应自愈水凝胶（CPOPI+T），通过酚硼酸（PBA）和聚乙烯醇（PVA）实现胰岛素（INS）和牛磺酸（Tau）的递送。水凝胶通过Schiff碱键、硼酸酯键和氢键构建多网络体系，兼具机械强度与快速自愈能力。体外实验显示，该水凝胶促进胶原合成（提升30%），促进成纤维细胞和角质形成细胞增殖（达165.87±2.93%）。体内实验表明，CPOPI+T可加速糖尿病小鼠创面愈合（14天达近完全愈合），通过调节胰岛素敏感性、抑制活性氧生成和优化微环境实现协同治疗。
法尔丁·汗博士（Md. Fardin Khan）、张鲁勇（Luyong Zhang）、姜东燕（Dongyan Qiang）、张振海（Zhenhai Zhang）、吕慧霞（Huixia Lv）
中国药科大学药学院，南京，211198，江苏，中国
摘要
由于持续的局部胰岛素抵抗（IR）、富含葡萄糖和活性氧（ROS）的微环境，慢性糖尿病伤口仍然难以治疗，这些因素会阻碍组织修复。在这项研究中，我们开发了一种双响应性的自愈水凝胶（CPOPI+T），该水凝胶由羧甲基壳聚糖（CCS）和氧化细菌纳米纤维素（OBC）与苯硼酸（PBA）和聚乙烯醇（PVA）共同制成，用于胰岛素（INS）和牛磺酸（Tau）的递送。水凝胶的多网络结构包括Schiff碱连接、硼酸酯键和氢键，赋予了其强大的机械强度。这种动态结构进一步实现了快速自愈和优异的注射性能。OBC的加入增强了网络稳定性，抑制了药物的突发释放，从而实现了INS和Tau的持续递送。该水凝胶具有对葡萄糖和pH值的响应性，在高血糖或酸性条件下可以减弱交联，从而触发按需释放药物。体外实验表明，CPOPI+T通过逆转胰岛素抵抗增强了葡萄糖的消耗，减少了细胞内的ROS，增加了30%的胶原蛋白合成，并促进了成纤维细胞和角质形成细胞的增殖（165.87% ± 2.93%）。体内实验中，该水凝胶显著加速了2型糖尿病小鼠的伤口愈合，在第14天时几乎完全愈合，同时增强了肉芽形成、重新上皮化和胶原蛋白沉积。总体而言，CPOPI+T协同调节了糖尿病伤口的微环境，显著改善了糖尿病伤口的愈合情况。
引言
全球糖尿病的患病率持续以惊人的速度上升，预计到2045年将有超过6.29亿人受到影响（Bus等人，2020年）。在其并发症中，糖尿病伤口是最持久且临床上难以治疗的病症之一，大约15-25%的患者在其一生中都会受到影响（Derakhshan等人，2022年）。糖尿病伤口的慢性不愈合性质越来越被认为是由失调的伤口微环境引起的，其特征是持续的高血糖、过量的活性氧（ROS）、局部酸性和细胞代谢受损（Burgess等人，2021年；Dawi等人，2025年；Iozzo，2009年）。这些因素共同损害了角质形成细胞和成纤维细胞的功能，延缓了血管生成和重新上皮化，并显著增加了感染和截肢的风险（Kimball等人，2017年）。重要的是，糖尿病伤口表现出明显的局部胰岛素抵抗（IR），这反映了全身性的代谢功能障碍，但仅限于伤口组织内（Yu等人，2017年）。局部IR严重限制了驻留细胞的葡萄糖摄取，使它们无法获得增殖、迁移和基质重塑所需的代谢能量。尽管最近的治疗方法包括智能敷料、细胞因子递送和生物活性分子在某些方面改善了伤口愈合（Li等人，2024年），但大多数方法主要针对血管生成或氧化应激。尽管局部胰岛素抵抗在糖尿病伤口的慢性过程中起着核心作用，但对其的直接干预仍然相对较少（Zhao等人，2024年）。这一关键需求突显了生物材料的重要性，这些材料不仅能够递送治疗药物，还能主动调节代谢性的伤口微环境。
胰岛素（INS）是葡萄糖稳态的关键调节剂，通过PI3K/AKT信号通路促进GLUT4的转运和细胞对葡萄糖的摄取（Huang等人，2005年；Norton等人，2022年）。在胰岛素抵抗的伤口中，胰岛素信号传导受损，导致葡萄糖利用缺陷和持续的代谢不足（Yaribeygi等人，2019年）。牛磺酸（Tau）是一种含硫的氨基酸，已被证明可以通过增强IRS-1和AKT的磷酸化以及恢复糖尿病模型中的PI3K/AKT–GLUT4信号传导来提高胰岛素敏感性（Chen等人，2021年；Das等人，2012年；Kapalka，2010年；Kim等人，2012年）。此外，牛磺酸还具有强大的抗氧化活性，可以减轻ROS介导的损伤，从而稳定糖尿病伤口中的胰岛素信号传导（Yi等人，2026年；Yuan等人，2024年）。然而，INS和Tau在恶劣的伤口环境中都容易降解，且局部生物利用度有限，因此需要一个保护和响应性的递送平台。
智能水凝胶因其水合性、粘弹性和模拟细胞外基质的特点而成为特别有吸引力的伤口敷料，这些特性支持细胞渗透和组织再生（Nasra等人，2023年；Zhang等人，2025年）。基于多糖的水凝胶特别适合用于糖尿病伤口，因为它们具有内在的生物相容性、化学可调性和代谢相关性。苯硼酸（PBA）因其能与顺式二醇可逆结合而受到关注，通过动态的硼酸酯形成实现葡萄糖响应性（Zhou等人，2025年）。与仅依赖亚胺（Schiff碱）化学的常规壳聚糖-氧化纤维素系统不同，PBA的加入引入了真正的葡萄糖响应性，允许在高血糖条件下触发胰岛素释放，同时抑制突发释放并保持自愈能力。羧甲基壳聚糖（CCS）提供了一个亲水性的多糖骨架，稳定了PBA-二醇的相互作用并支持水凝胶的完整性（Kruczkowska等人，2024年）。富含邻位二醇的聚乙烯醇（PVA）进一步增强了硼酸酯的交联，提高了机械强度、注射性能和葡萄糖敏感性（Nishiyabu等人，无日期）。然而，单一动态键网络往往机械韧性不足（Condò等人，2024年；Liu等人，2020年）。为了克服这一限制，引入了氧化细菌纳米纤维素（OBC）作为第二种多糖成分。OBC具有优异的机械强度和富含醛的表面，能够与CCS中的胺基形成可逆的亚胺键（Roberts等人，2023年）。这种正交的双交联策略结合了Schiff碱（OBC-CCS）和PBA-二醇硼酸酯网络，将机械强度和注射性能与代谢响应性分离，使水凝胶在糖尿病伤口条件下表现出稳定且适应性强的行为。除了作为被动载体外，这种全多糖网络还充当了代谢活性调节器。富含二醇的多糖基质可以暂时结合细胞外的葡萄糖，同时增强细胞对葡萄糖的摄取，从而直接调节高血糖伤口的微环境。这代表了从仅用于药物递送的支架向参与代谢调节的生物活性系统的根本转变。
因此，我们假设将INS和Tau整合到一种动态的、对pH值和葡萄糖响应性的多糖水凝胶中，可以创建一个协同治疗平台，直接解决局部胰岛素抵抗问题，同时减轻氧化和代谢压力。在这项研究中，我们开发了一种自愈水凝胶（CPOP），由PBA改性的CCS（CP）、OBC和PVA组成，通过正交实验设计优化，以实现强大的机械性能和可控的刺激响应性释放。该系统建立了一种三层协同机制，这是以前的OBC/壳聚糖水凝胶所缺乏的，将牛磺酸介导的胰岛素敏感性和抗氧化保护、通过PBA化学实现的葡萄糖触发胰岛素释放以及由多糖驱动的葡萄糖调节整合到一个统一的治疗策略中。体外和体内评估表明，装载了INS/Tau的CPOP水凝胶（CPOPI+T）有效恢复了葡萄糖代谢，减少了氧化应激，并显著加速了糖尿病伤口的愈合，为慢性糖尿病伤口的智能和靶向治疗提供了一种有前景的策略（图1）。
材料
羧甲基壳聚糖（产品编号：C804727-25克；分子量：60 kDa；20°C下1%溶液的粘度：16.69 mPa·s；羧基化程度：81.856%）、季铵壳聚糖（产品编号：850125-25克；分子量：100 kDa；20°C下1%溶液的粘度：44 mPa·s；取代度：98.125%）和MTT均购自上海麦克林生化科技有限公司（上海，中国）。细菌纳米纤维素[产品编号：BC-D22；细菌：醋酸杆菌；分子量：
制备和表征
选择CCS（1–3%）和PVA1788用于水凝胶的制备，比较数据见补充材料（图S1/S2）。桂林启鸿科技有限公司提供的BC的TEM图像也见补充材料（图S5）。BC被氧化以生成亚胺键形成所需的醛基（图1A）。过氧化钠切割了C2-C3键，生成了氧化度为82.67 ± 2.00%的OBC。FTIR光谱证实了氧化过程
讨论
本研究证明，我们的自愈水凝胶对pH值和葡萄糖双重响应，结合了OBC、CCS、PVA和PBA，通过协同的胰岛素和牛磺酸递送支持糖尿病伤口的愈合。这一设计与强调葡萄糖和pH值敏感药物释放的新兴糖尿病伤口敷料策略一致，而自愈性能进一步确保了在机械压力和持续接触伤口床时的结构完整性。在我们的系统中，PBA
结论
在这项研究中，我们成功开发了一种双响应性的自愈水凝胶（CPOPI+T），能够递送INS和Tau，同时调节糖尿病伤口的微环境，减轻局部胰岛素抵抗和氧化应激。多网络结构结合了硼酸酯、亚胺和氢键相互作用，赋予了强大的机械强度、快速自愈能力、注射性能以及在高葡萄糖和酸性pH值条件下的可控药物释放。体外
CRediT作者贡献声明
法尔丁·汗博士（Md. Fardin Khan）：撰写初稿、项目管理、方法学、研究、数据管理、概念构思。张鲁勇（Luyong Zhang）：方法学、研究、形式分析。姜东燕（Dongyan Qiang）：可视化、方法学、概念构思。张振海（Zhenhai Zhang）：撰写、审稿与编辑、监督。吕慧霞（Huixia Lv）：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国药科大学组织的科学研究与开发（化妆品领域）（3342400034）的财政支持，同时得到了Logan Instruments（上海）有限公司的技术支持。
