《Biomaterials Advances》：Shellac nanoparticle based intelligent drug-delivery composite sponge for hemostasis and healing of diabetic wounds
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智能水凝胶复合海绵通过整合壳聚糖纳米颗粒和pH响应药物释放系统，实现止血、抗菌及促进伤口愈合的多功能协同作用。摘要：本研究开发了一种基于壳聚糖-明胶水凝胶和NGN负载壳聚糖纳米颗粒的智能复合海绵（NSCG），通过冷冻干燥制备。NSCG具有多孔结构、pH响应性，在碱性环境（pH8.5）下快速释放NGN，并表现出抗氧化、广谱抗菌及高效止血性能。体内实验证实其可加速糖尿病小鼠伤口愈合，促进肉芽组织形成、胶原沉积和血管生成，同时抑制炎症因子（TNF-α、IL-6）。该材料为糖尿病慢性伤口管理提供了创新策略。
Jiale Mao|Chenning Zhang|Jialin Wang|Tai Gao|Lina Fang|Xu Zhao
沈阳药科大学功能食品与葡萄酒学院，中国沈阳，110016
摘要
糖尿病慢性伤口由于持续的炎症、血管生成受损和高感染风险，对临床治疗构成了重大挑战。在这项研究中，我们通过将含有柚皮素（NGN）的壳胶纳米颗粒（N-SNPs）结合到壳聚糖-明胶（CG）水凝胶中，并采用冷冻干燥技术，制备出一种智能复合海绵（NSCG）。物理化学表征证实，NSCG具有多孔结构、良好的亲水性、机械柔韧性和pH响应性药物释放特性，并且能够在模拟感染和炎症慢性糖尿病伤口的病理微环境（pH 8.5）下快速释放NGN。体外实验表明，NSCG表现出强抗氧化活性、广谱抗菌效果（对金黄色葡萄球菌（19 mm抑制圈）和大肠杆菌（21 mm抑制圈），以及优异的止血性能（低血液凝固指数、高红细胞粘附性和高效血液吸收能力）。体内评估验证了其在肝脏和股动脉出血模型中的快速止血能力（止血时间<40秒）以及优异的生物相容性，并且在14天内完全降解。在糖尿病小鼠伤口模型中，NSCG通过促进肉芽组织形成、胶原蛋白沉积和血管生成（增强CD31和VEGF表达），同时抑制炎症因子（TNF-α和IL-6），显著加速了伤口愈合。这些结果表明，NSCG集成了快速止血、pH响应性药物释放、抗氧化、抗菌和生物相容性等特性，使其成为糖尿病伤口修复的有前景的多功能敷料，为慢性伤口管理提供了新的策略。
引言
由糖尿病引起的慢性伤口已成为患者健康的重要威胁[1]。传统的凝胶海绵在伤口修复领域受到了广泛关注，这主要归功于它们的高孔隙率、优异的生物相容性和可调的机械性能[2]。例如，具有纳米多孔结构的丝素海绵可以独立促进细胞迁移、血管生成和组织再生[3]。同时，抗菌和止血双重交联的壳聚糖海绵表现出显著的止血和伤口愈合能力[4]。然而，慢性伤口具有复杂的病理特征，包括持续的炎症反应、组织缺氧和微血管损伤[5]。这些特性使得传统的治疗方法（如敷料覆盖和抗生素治疗）在促进慢性伤口愈合方面效果有限[6]，[7]。
近年来，智能响应性生物材料作为一种非常有前景的替代方案出现，为糖尿病伤口修复提供了定制化的策略[8]。例如，基于聚乙烯醇的智能水凝胶可以通过对葡萄糖的响应实现抗糖尿病药物的控释[9]。尽管在智能海绵中整合止血、药物递送和生物相容性等功能方面取得了显著进展，但现有材料仍然普遍存在止血效率低和潜在生物毒性等问题[10]，[11]。因此，开发同时具备高效止血和精确药物递送功能的新伤口修复材料迫在眉睫。
为了解决这一难题，我们试图利用天然聚合物和生物活性化合物的协同潜力。壳胶是一种天然药用聚合物，不仅具有独特的pH响应性和生物活性，还获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的安全认证（GRAS）[12]，[13]。这一权威认证充分证明了壳胶在各种应用场景中的安全性，极大地扩展了其在生物医学领域的应用潜力。研究表明，壳胶分子结构中的羧基在酸性环境中保持稳定，但在碱性条件下会迅速离子化，导致纳米颗粒结构分解并释放封装的药物[14]，[15]。同时，中医文献记载壳胶具有收敛止血、促进肉芽形成和愈合伤口的功效。现代药理学研究也证实，壳胶可以通过激活血小板聚集来加速血液凝固过程[15]。最新研究表明，壳胶纳米颗粒（SNPs）能够增强壳聚糖（CS）薄膜的性能。特别是，SNPs的整合显著提高了CS薄膜的热稳定性、颜色特性、机械强度和紫外线（UV）吸收率，同时降低了其水蒸气透过率[16]。此外，含有白藜芦醇的壳胶-壳聚糖薄膜表现出出色的超亲水性、机械强度和抗菌活性[17]。这些发现不仅验证了将壳胶整合到水凝胶薄膜中的可行性，还强调了其优化薄膜性能的潜力。柚皮素（NGN）是一种天然存在的黄酮类化合物，已被广泛证明可以通过多方面的协同机制促进慢性伤口愈合[18]，[19]。在炎症调节方面，NGN通过强烈抑制关键信号通路（如核因子κB（NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联）发挥抗炎作用[20]。NGN对这些通路的抑制减少了促炎细胞因子（包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）的产生和分泌，同时促进了免疫细胞向抗炎表型的极化[21]。这种抗炎作用为后续的组织修复过程创造了有利的环境。面对氧化应激这一伤口愈合的主要障碍，NGN作为一种强效抗氧化剂，可以直接清除活性氧（ROS），如超氧阴离子和羟基自由基，同时激活内源性抗氧化酶（如超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）[22]，[23]。通过这些机制，NGN有效减轻了细胞成分的氧化损伤，保护了伤口组织的完整性。将NGN封装在壳胶纳米颗粒（SNPs）中，不仅利用了壳胶的pH响应性实现精确的药物控释，还对止血和伤口愈合产生了协同效应。
选择壳聚糖和明胶作为纳米颗粒的载体。作为天然聚合物材料，壳聚糖（CS）和明胶具有各自的优势：前者具有抗菌活性和止血功能，而后者富含细胞粘附位点[24]。它们结合形成的水凝胶为细胞迁移和血管生成提供了理想的三维微环境[25]。先前的研究表明，壳聚糖微花-明胶海绵具有优异的抗菌、抗生物膜和止血性能[26]。此外，新型果糖修饰的壳聚糖/明胶复合海绵表现出强大的止血性能和出色的细胞相容性[27]。这些发现突显了基于壳聚糖和明胶的材料在伤口修复应用中的潜力，为开发更有效的治疗策略铺平了道路。
如图1所示，本研究以SNPs为核心设计，将含有NGN的SNPs整合到壳聚糖-明胶水凝胶系统中，然后利用冷冻干燥技术制备出pH响应性智能复合海绵。一方面，壳胶本身通过激活血小板聚集增强了海绵的初始止血能力，在伤口形成的早期阶段实现快速止血。另一方面，壳胶具有独特的pH响应性，这是根据慢性糖尿病伤口的病理特征合理设计的。慢性糖尿病伤口具有高度动态的微环境，pH值会根据感染状态和愈合阶段波动；特别是，持续的生物膜形成和组织坏死会导致局部pH值升高至碱性水平（8.0–9.0）[28]。在这项研究中，使用pH 8.5作为代表模型来模拟这种极端碱性病理条件，而不是所有糖尿病伤口的通用标准。通过将NGN封装在SNPs中，系统可以在碱性伤口微环境的触发下实现智能药物释放，确保在伤口愈合的慢性阶段将具有抗炎和促进血管生成作用的NGN靶向输送到受损部位。在伤口的早期阶段，依靠壳胶和CG基质的协同止血效果实现快速止血；在慢性阶段，壳胶的pH响应性驱动NGN的精确释放以促进伤口愈合。这种即时止血和长期治疗的结合实现了糖尿病伤口的分层管理，为糖尿病伤口修复提供了新的策略。为了明确突出这种设计相对于现有技术的创新性和优势，在补充表S1中提供了与近期代表性研究的详细比较。
材料
壳胶（L105732）购自上海源业生物科技有限公司（中国上海）。柚皮素（NGN，C2303220，≥97%）和链脲佐菌素（STZ，2507719）购自阿拉丁试剂有限公司（中国上海）。明胶（C16541023）来自Macklin生化科技有限公司（中国上海）。壳聚糖（CS，脱乙酰度：95%，分子量约200 kDa，G231134）购自安徽酷尔化学有限公司（中国安徽）。戊二醛（50%）购自
纳米颗粒的形态和包封效率
不同配方的纳米颗粒（N1-SNPs1至N3-SNPs3）和空白对照组（SNPs3表现出不同的形态特征，这通过溶液颜色和透明度反映出来（图1a）。所有SNP分散液均为棕黄色，NGN含量对颜色或透明度没有明显影响；相比之下，较高的壳胶含量降低了分散液的透明度，可能是由于N-SNPs的颗粒尺寸较大，阻碍了光线透过（图1a）。NGN包封
结论
在这项研究中，通过冷冻干燥技术将N-SNPs嵌入CG水凝胶中，成功制备出一种智能复合海绵（NSCG）。该海绵具有多孔结构、良好的亲水性和机械柔韧性，并能在碱性环境（pH 8.5）下实现pH响应性药物释放。体外实验表明，它具有优异的抗氧化、抗菌和止血性能。体内实验证实，它可以快速止血，具有良好的
CRediT作者贡献声明
Jiale Mao：撰写——原始草案、方法学、数据管理。Chenning Zhang：软件、数据管理。Jialin Wang：研究调查、概念构思。Tai Gao：正式分析。Lina Fang：项目管理。Xu Zhao：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了辽宁省教育厅研究项目（LJ212410163008）的资助。
