一种聚乙烯醇-明胶复合水凝胶敷料，可在电刺激下加速伤口愈合

导电水凝胶通过动态交联和生物活性成分协同电刺激促进伤口愈合，体外及体内实验显示其能加速纤维细胞迁移、血管新生和ECM再生，兼具机械稳定性和组织粘附性。

　　

姜永超|严丽媛|刘美君|郭颖颖|唐科勇

郑州大学材料科学与工程学院，中国郑州450001

摘要

寻找更有效、更安全的促进伤口愈合的方法是解决水凝胶敷料局限性问题的重要焦点。本文设计了一种复合导电水凝胶，利用其固有特性并结合电刺激（ES）来加速伤口愈合。该水凝胶通过将多巴胺包封的镁有机框架（Mg-GA MOF@PDA）和重组III型胶原蛋白（rCol）引入聚乙烯醇（PVA）、明胶和硼砂的动态交联体系中制备而成。硼酸盐键的动态交联赋予了水凝胶优异的机械稳定性、组织黏附性和自愈能力。这种导电水凝胶对细胞的影响及其促进伤口愈合的潜力已在体外和体内进行了系统研究。结果表明，这种水凝胶敷料能够有效传导外源性电刺激，从而促进成纤维细胞迁移、新生血管形成和细胞外基质再生。总体而言，这种多功能导电水凝胶敷料与电刺激疗法的结合为加速伤口愈合提供了新的途径。

引言

慢性伤口的恢复期延长增加了感染和各种并发症的风险，给医疗系统和家庭带来了沉重负担[1]。过去十年中，现代医学和生物技术的显著进步使得开发出有效的伤口修复策略成为可能，例如外科清创[2]、高压氧治疗[3]、负压伤口治疗[4]和电刺激（ES）[5]。在这些新兴方法中，电刺激疗法已被证明是促进伤口修复的有效方式。这一策略的原理是利用来自完整皮肤向伤口部位产生的内源性电场（EFs）来刺激细胞生长并指导伤口愈合过程[6],[7]。然而，商业化的EFs应用产品（如PosiFect和Procellera[8]）通常受到金属电极与组织之间完整性和机械性能不匹配的限制，这些缺陷阻碍了外部电刺激的传导，从而影响了治疗效果[9]。

多种功能性水凝胶作为伤口敷料的应用候选材料展现出巨大潜力[10]。此外，通过添加导电填料和生物因子，这些水凝胶敷料在电学和生物学性能上表现出出色的多功能性，使其适合作为电子设备和伤口组织之间的接口[11],[12]。例如，胡等人使用反复冻融法制备了一种多功能导电水凝胶以促进皮肤伤口愈合[11]。他们认为，通过将聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）引入聚乙烯醇（PVA）基质中实现了高电导率，而绿茶基碳点（GCDs）则赋予了抗氧化和抗菌性能。这种电活性水凝胶敷料（PVA/PEDOT:PSS/GCDs）不仅能够加速伤口愈合，还能减轻体内过度炎症[13]。然而，上述水凝胶敷料在日常活动下可能因机械稳定性不足和组织黏附性差而受到限制，从而主要局限于关节伤口表面的电刺激应用。

动态的物理或化学交联作用（如氢键、席夫碱反应和硼酸盐-酯键）赋予水凝胶敷料快速成型和自愈能力，使其能够完全填充伤口腔体，提供导电介质以恢复皮肤的局部电场，并增强电刺激疗法的效果[13],[14]。谢等人利用儿茶酚修饰的羧甲基纤维素和单宁酸制备了一种用于糖尿病伤口修复的天然水凝胶敷料[1]。得益于可逆的氢键作用，该水凝胶敷料具有出色的注射性和原位成型能力。类似地，连等人提出了一种基于雾化海藻酸钠（SA）与高浓度钙离子溶液快速交联反应的可喷涂水凝胶敷料，用于糖尿病伤口治疗[15]。他们还加入了类似催化剂的金属有机框架（MOF），以协同增强水凝胶敷料的机械稳定性和电导率，从而便于在伤口部位应用电刺激疗法。

受前述研究的启发，我们提出了一种基于双网络结构的PVA复合水凝胶，该水凝胶具有优异的机械稳定性、强大的组织黏附性和自愈能力。创新性地加入多巴胺（PDA）包覆的镁镓酸盐MOF填料（Mg-GA MOF@PDA）和重组人III型胶原蛋白（rCol），使其在伤口治疗过程中同时具备理想的导电性和生物活性。最终，我们系统评估了这种水凝胶（PVA/G/MOF@PDA/rCol）在电刺激下的伤口愈合效果，包括使用全层伤口的小鼠模型进行伤口闭合评估、免疫组化和免疫荧光染色等技术。

材料

明胶（G，300克Bloom级）购自Sigma-Aldrich（美国）。重组III型胶原蛋白（rCol）购自浙江诸暨聚源生物科技有限公司（中国）。聚乙烯醇（PVA，Mn=89-98 kDa）、盐酸多巴胺（纯度≥98%）和没食子酸（GA，纯度≥98%）购自上海阿拉丁生物科技有限公司（中国）。抗凝羊血来自上海豫源生物科技有限公司（中国）。四硼酸钠（纯度≥99%）也来自同公司。

合成材料的表征

如图1a所示，通过溶剂热法在Mg-GA MOF表面聚合了一层PDA，制备出MOF@PDA材料。从图1b的SEM图像可以看出，Mg-GA MOF具有相对规则的多面体结构。当多巴胺在Mg-GA MOF表面聚合时，其结构保持不变。MOF@PDA仍保持多面体结构，并在其表面形成了一层PDA纳米颗粒。

结论

我们制备了一种多功能导电水凝胶（PVA/G/MOF@PDA/rCol），通过电刺激（ES）促进伤口愈合。由于动态的物理或化学交联作用，该水凝胶具有优异的机械稳定性和强大的组织黏附性，证明了其在伤口愈合过程中的长期稳定性能。结合MOF和rCol后，这种导电且具有生物活性的水凝胶不仅加速了成纤维细胞的迁移，还促进了...

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的利益冲突。

数据可用性声明

作者将在合理请求下提供数据。

作者贡献声明

刘美君：软件开发、数据管理。严丽媛：软件开发、数据分析。姜永超：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、资金申请、概念构思。唐科勇：项目指导、资源协调。郭颖颖：数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52403209）、河南省科技研发计划联合基金项目（项目编号：242301420028）以及郑州大学2025年本科生创新创业培训计划（项目编号：202510459094）的财政支持。