《Carbohydrate Polymers》：Chitosan-gelatin hybrid hydrogel incorporating strontium-doped ceria nanoparticles for enhanced wound healing and mitochondrial function recovery
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本研究开发了一种基于GDQS/GA/SrHMCe的微环境响应型水凝胶，通过协同作用增强组织粘附、抗菌、抗炎及自由基清除能力。SrHMCe纳米颗粒在酸性环境中生成杀菌羟基自由基，中性/碱性环境下发挥抗氧化作用，同时促进血管生成。体内实验证实该水凝胶显著改善金黄色葡萄球菌感染大鼠模型的伤口愈合率、胶原沉积和血管化。
张鹏|陈瑞勋|罗欣淼|史祖强|张仁洲|李阳|刘晓彤|高远志|周子鹏|高伟然|袁亚江
中国锦州医科大学第三附属医院创伤中心，邮编121001
摘要
感染性伤口的愈合面临全球性的挑战，这主要是由于细菌持续定植、氧化应激以及血管生成受损所致。为了解决这些问题，我们开发了一种微环境响应型GDQS/GA/SrHMCe水凝胶，该水凝胶由季铵化壳聚糖（QCS）和多巴胺功能化的明胶甲基丙烯酸酯（GelMA-DA）制成，并掺入了甘草酸（GA）和掺锶的中孔二氧化铈纳米颗粒（SrHMCe）。这种水凝胶的独特性能源于其组分的协同作用，这些组分增强了组织粘附性、抗菌效果、抗炎反应和自由基清除能力。SrHMCe纳米颗粒具有pH依赖性的酶样活性：在酸性环境中产生杀菌性的羟基自由基（•OH），在中性/碱性环境中则促进抗氧化功能。值得注意的是，该水凝胶还能保护线粒体功能，有助于在氧化应激下恢复线粒体膜电位。体内研究表明，用GDQS/GA/SrHMCe处理的金黄色葡萄球菌（S. aureus）感染的大鼠模型中，伤口愈合速度、胶原蛋白沉积和血管生成均显著改善，证实了其作为有效治疗选项的潜力。这些多功能特性凸显了该水凝胶在通过综合管理炎症、氧化和愈合过程来促进感染性伤口愈合方面的强大临床应用前景。
引言
慢性伤口——包括感染性损伤、烧伤和糖尿病溃疡——由于细菌定植、持续炎症和细胞增殖受损，构成了重大的临床挑战（Shou等人，2023年；Wu等人，2023年；Yuan等人，2024年；Zhao等人，2024年）。反复感染会引发氧化损伤、炎症失调和血管生成受损的恶性循环，导致愈合效果不佳（Sun等人，2023年；Yang等人，2023年）。尽管伤口护理技术有所进步，但目前的临床策略（如清创、抗菌治疗和传统敷料）往往无法完全控制恶劣的伤口微环境，尤其是在慢性/感染情况下。细菌可以在生物膜中存活，降低对治疗的敏感性并导致反复感染，而过多的活性氧（ROS）和长期的炎症激活会持续损害细胞外基质和驻留/祖细胞，从而抑制再上皮化和新生血管形成。此外，许多现有的敷料或单一功能材料主要针对某一方面（如保湿或抗菌活性），但缺乏同时调节ROS、炎症和促血管生成再生的能力，而这对于打破恶性循环和实现持久愈合至关重要。因此，仍迫切需要多功能、能够适应微环境的伤口敷料，以协调抗菌保护与抗氧化和免疫调节作用，从而促进有效的组织修复。
近年来，无机纳米酶作为一种有吸引力的抗菌候选材料出现，因为它们能够催化内源性底物（如H2O2）转化为杀菌物质。例如，金纳米颗粒（AuNPs）和硫化铜（CuS）纳米酶表现出类似过氧化物酶（POD）的活性，产生高活性的羟基自由基（?OH），从而对细菌膜造成氧化损伤，实现高效消毒（Lin等人，2020年；Luo等人，2023年；Pan等人，2016年；Yang等人，2021年）。在这些系统中，基于二氧化铈的纳米酶尤其具有前景，因为它们具有微环境适应性、多酶模拟行为：在生理条件下可表现出类似SOD和CAT的活性，清除过多的ROS；而在酸性炎症/感染环境中则切换为类似POD的活性，生成抗菌自由基（Duan等人，2023年；Liu等人，2023年；Zhou等人，2024年）。这种“双模式”催化为同时解决感染和ROS失调问题提供了合理途径。然而，伤口愈合涉及超出细菌清除的复杂过程，依赖单一治疗模式的方法在复杂的慢性伤口中往往效果有限，这促使人们开发出综合、协同的伤口敷料策略。
为了弥合传统被动敷料与慢性伤口复杂需求之间的差距，多功能水凝胶因其保持水分、吸收渗出物和模拟天然细胞外基质（ECM）的能力而成为领先的选择（Farahani & Shafiee，2021年；Kharaziha等人，2021年；Zeng等人，2022年；Zhang, Ge等人，2023年；Zhang, Zhu等人，2023年）。其中，明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）在伤口管理中受到了广泛关注，因为它保留了天然明胶中的生物活性精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列，促进细胞附着，同时通过光交联提供可调的机械性能（Kurian等人，2022年；Sawyer等人，2022年）。然而，纯GelMA的临床应用常常受到其湿粘附性不足的阻碍，导致在动态伤口环境中敷料脱落。为了解决这个问题，人们广泛采用了受贻贝启发的表面化学改性方法。具体来说，将多巴胺（DA）基团接枝到聚合物主链上，引入了丰富的儿茶酚基团，通过多种共价和非共价相互作用显著增强了组织粘附性，确保了在伤口界面处的稳定性（Gowda等人，2020年）。
壳聚糖（CS）是一种从甲壳质衍生的天然多糖，以其生物相容性和内在抗菌性能而闻名，但其应用常常受到生理pH下溶解度低的限制。为了解决这个问题，引入了季铵化壳聚糖（QCS）作为更优的阳离子衍生物。季铵基团的引入不仅赋予QCS优异的水溶性，还显著增强了其抗菌效果——通过静电破坏细菌膜——并促进了快速止血（Huang, Mu等人，2022年；Shan等人，2025年）。然而，QCS单独使用时缺乏足够的组织粘附性，无法在动态环境中有效密封伤口。为了解决这个问题，我们将QCS整合到了粘附性的GelMA-DA网络中。这种混合策略利用GelMA-DA的儿茶酚驱动粘附性，将水凝胶牢固地锚定在伤口部位，从而使QCS能够充分发挥其生物功能。此外，QCS主链上的丰富氨基和羟基基团作为有效的锚定点，稳定了封装的纳米颗粒，防止聚集并确保了治疗系统的均匀性。
除了管理和控制感染及渗出物外，协调免疫微环境对于将伤口从停滞的炎症状态转变为再生阶段至关重要。这在很大程度上依赖于将巨噬细胞从促炎（M1）表型重新编程为修复性抗炎（M2）表型（Chao等人，2022年）。甘草酸（GA）是一种天然的生物活性三萜类化合物，已被证明是一种有前景的免疫调节剂，能够促进这种表型转换，但其整合到功能性伤口敷料中的研究仍不充分（Saeedi等人，2023年）。
在这里，我们报道了一种微环境适应型、多功能且可光交联的水凝胶敷料，具有三项主要创新：（i）SrHMCe纳米酶：一种掺锶的二氧化铈纳米颗粒，具有ROS和pH响应的多酶模拟活性，能够在感染伤口中按需进行抗菌；此外，从SrHMCe释放的锶离子有望促进血管生成；（ii）一种粘附性强、机械性能得到增强的混合网络GDQS，通过将SrHMCe整合到GelMA-DA基质中并与QCS物理混合形成GDQS水凝胶。QCS的加入是通过物理混合而非配位实现的。这种双交联结构源于SrHMCe与GelMA-DA中的多巴胺基团之间的金属-儿茶酚配位，以及紫外线引发的光聚合反应，从而提高了湿粘附性和纳米颗粒的稳定性；（iii）GA的自组装在水凝胶系统中提供了第三种交联网络和免疫调节支持。结合GDQS/SrHMCe框架，GA有助于实现包括抗菌/抗氧化平衡、炎症缓解、血管生成和线粒体功能恢复在内的综合治疗效果。SrHMCe纳米球通过金属离子交换法水热合成（方案1A），然后加入GDQS/GA前体溶液中以诱导配位相互作用，再进行紫外线固化，得到GDQS/GA/SrHMCe水凝胶（方案1B）。我们在体外系统评估了其物理化学性质和多功能生物活性，并最终在感染伤口的大鼠模型中验证了其治疗效果和作用机制（方案1C）。
材料
七水合氯化铈（CeCl?·7H?O，≥98.0%）、1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙-1-酮（Irgacure-2959，≥98.0%）和中等强度的猪明胶购自Sigma-Aldrich。氯化锶（SrCl?，≥99.0%）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，平均分子量40,000，≥98.0%）、盐酸多巴胺（DA，≥98.0%）、N-乙基-N′-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC，≥99.9%）、1-羟基-2,5-吡咯烷二酮（NHS）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）
SrHMCe纳米酶的合成与表征
SrHMCe纳米球通过一个简单的两步法合成（图1A）。首先通过PVP稳定的水热法制备了单分散的空心CeO?纳米球（HMCe；图1B）。随后，通过离子交换将Sr2?掺入HMCe中得到SrHMCe。透射电子显微镜（TEM）分析（图1B）证实SrHMCe保持了球形空心形态，平均粒径为31.69纳米（ImageJ分析；图1C）。动态光散射（DLS）测得的 hydrodynamic 直径为50.36纳米
结论
在这项工作中，我们成功制备了一种新型的微环境响应型GDQS/GA/SrHMCe水凝胶敷料，其独特性能源于一个精确设计的三重交联网络，包括GelMA-DA的共价光交联、QCS的聚合物相互作用，以及SrHMCe与GelMA-DA中的多巴胺基团之间的金属-酚配位形成的物理网络。该水凝胶表现出出色的物理化学特性，包括
CRediT作者贡献声明
张鹏：撰写——原始草稿、方法学、研究设计、资金获取、数据管理。陈瑞勋：验证、监督、研究设计、数据管理。罗欣淼：验证、监督、研究设计、数据管理。史祖强：软件开发、数据管理。张仁洲：软件开发、数据管理。李阳：软件开发、数据管理。刘晓彤：数据可视化、验证。高远志：方法学设计、数据管理。周子鹏：撰写——审稿与编辑、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了辽宁省科技计划联合项目（2024-BSLH-079、2025-MSLH-217）、辽宁省高校基础研究项目（LJ212410160084）、CPSF博士后奖学金计划（GZC20242291）、辽宁省科技厅博士启动项目（2023-BSBA-148）的支持。
