综述：基于生物大分子的压电水凝胶在糖尿病伤口愈合中的应用：从智能材料设计到电机械疗法

《Applied Materials Today》：Biomacromolecule-Based Piezoelectric Hydrogels for Diabetic Wound Healing: From Smart Materials Design to Electromechanical Therapy

糖尿病伤口因慢性炎症、血管生成障碍及高感染风险难以愈合，传统疗法多针对宏观症状而忽视微环境调控。压电水凝胶通过机械形变产生生物电信号，激活Ca2?通道和PI3K/Akt通路促进成纤维细胞增殖和胶原沉积，同时调节巨噬细胞极化缓解炎症。其材料设计整合了抗菌、自愈和药物缓释功能，为糖尿病创面治疗提供自驱动解决方案。

　　

杨书宇|宋楠|魏浩杰|张月|楚盈盈

武汉理工大学化学、化学工程与生命科学学院，中国武汉430070

摘要

由于持续的炎症、血管生成障碍、神经病变以及病理微环境中的高感染易感性，糖尿病伤口仍然是一个主要的临床问题。传统疗法往往无法提供协调组织再生所需的持续生物电信号和动态免疫调节。压电水凝胶作为一种新型智能生物材料，结合了水合聚合物网络的结构多样性和压电组件的机械电能转换能力。通过将生理运动或机械变形转化为局部电场，这些材料能够再现内源性生物电信号，并实现自供电的机电治疗。最新研究表明，压电水凝胶能够激活包括Ca2?内流和PI3K/Akt信号通路在内的机械电转导途径，从而促进成纤维细胞增殖、内皮细胞迁移、胶原蛋白沉积和血管生成。同时，它们的免疫调节作用有助于将巨噬细胞从促炎型M1表型极化为促再生型M2表型，减轻慢性炎症和氧化应激。除了内在的机电功能外，合理的材料工程设计还使其具备抗菌活性、组织粘附性、自愈能力和按需治疗释放等功能，进一步提升了其在复杂伤口环境中的性能。本文综述了基于生物大分子的压电水凝胶的最新进展，重点讨论了其制备策略、机电机制及新兴的治疗应用，并探讨了加速开发用于糖尿病伤口愈合的自供电材料的关键挑战和转化前景。

引言

皮肤是抵御外部损伤的主要屏障，在维持生理稳态方面起着至关重要的作用[1]，[2]。尽管皮肤具有固有的再生能力，但皮肤损伤（尤其是慢性伤口）的治疗仍然是一个重大的临床挑战，给患者和医疗系统带来了巨大负担[3]，[4]。在慢性伤口中，糖尿病伤口尤为普遍且难以管理。这类伤口通常表现为愈合延迟、高感染风险和组织再生不良。如图1所示，糖尿病伤口的微环境特征为持续的高血糖、缺氧、慢性炎症以及活性氧（ROS）的过量产生[5]，[6]。这些病理特征与糖尿病神经病变、外周血管疾病和白细胞反应功能障碍共同阻碍了正常的伤口修复。如果不及时进行有效干预，糖尿病伤口可能会发展成严重的溃疡、全身性感染甚至肢体截肢[7]，[8]，[9]，[10]。

目前的临床治疗策略，如血糖控制[11]，[12]、代谢调节[13]，[14]，[15]、感染管理以及使用先进的伤口敷料[16]，主要针对的是宏观症状，而非潜在的微环境失调。持续的炎症、氧化应激、血管生成障碍、细菌定植和巨噬细胞极化功能障碍仍然没有得到有效解决。因此，迫切需要能够主动调节伤口微环境并在组织修复过程中恢复动态生物信号的新型治疗材料。

生物电子医学的最新进展强调了内源性电信号在组织再生中的重要性。电信号调节细胞迁移、增殖、血管生成和细胞外基质重塑等关键过程[17]，[18]，[19]。然而，传统的电刺激方法通常依赖于外部电源和复杂的仪器设备，限制了其在慢性伤口护理中的临床应用。在这种情况下，能够提供局部机电刺激的自供电材料成为了一个有前景的替代方案[20]。压电水凝胶（PHs）作为一种有前途的治疗生物材料，正好满足了这些要求。通过在水凝胶基质中集成压电组件，这些材料可以在机械变形时产生局部电荷，从而直接在伤口部位提供自供电的电刺激[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。这种设计使压电水凝胶能够模拟或放大内源性生物电场，促进成纤维细胞迁移、增强内皮细胞活性、刺激生长因子分泌，并加速细胞外基质沉积。因此，它们有助于在愈合受阻的环境中促进上皮化、胶原蛋白重塑和新生血管形成[22]，[23]，[24]。除了机电功能外，压电水凝胶还提供了一个高度可调的平台，用于多功能治疗设计。其内在的生物相容性、高水分含量和机械适应性使其能够在单一材料系统中整合抗菌活性、免疫调节、药物释放和组织粘附功能。通过生物电、生化和结构信号的协同作用，压电水凝胶为克服现有糖尿病伤口治疗的局限性提供了一种变革性策略[25]，[26]。

在本综述中，我们总结了基于生物大分子的压电水凝胶在糖尿病伤口愈合方面的最新进展，重点讨论了其设计和构建原理以及糖尿病生物电与关键信号通路之间的机电耦合。此外，我们还探讨了与先进生物电子系统的整合以及开发下一代自供电伤口愈合材料的关键挑战和转化前景。

糖尿病伤口愈合中的挑战

与急性伤口不同，慢性糖尿病伤口的愈合过程漫长且紊乱，如图2所示。正常的伤口修复会顺利经历四个阶段：止血、炎症、增殖和重塑。相比之下，糖尿病伤口通常会停留在炎症阶段。这种停滞导致了慢性不愈合性溃疡[27]，[28]，[29]。这种病理停滞主要由持续的高血糖引起，高血糖会引发一系列连锁反应

利用电刺激应对这些挑战

糖尿病伤口表现出内源性生物电信号的严重紊乱。为了解决这一问题，电刺激（ES）已成为一种有前景的治疗策略。电刺激可以恢复调节组织再生的机电信号[49]，[50]。外源性电刺激通过重新建立定向电场来补偿减弱或缺失的损伤电流，从而引导细胞迁移、血管生成、免疫平衡和细胞外基质（ECM）重塑[51]。如图3所示，

压电水凝胶的基本原理和制备策略

在糖尿病伤口中恢复生物电信号需要有效的电刺激。同时，还需要能够在机械上顺应性良好、生物学上具有交互性且在临床实践中可行的生物材料平台。理想的系统应结合机电响应性、高水分含量、与软组织相匹配的力学性能以及支持细胞粘附、迁移和基质重塑的分子特性。压电水凝胶（PHs）正是这样的材料

压电水凝胶在糖尿病伤口愈合中的应用

压电水凝胶在糖尿病伤口治疗中展现出了巨大的潜力。它们结合了湿润的、类似ECM的环境和自生成的电刺激。当日常活动或组织动态导致机械变形时，压电水凝胶通过压电效应将生物机械能转化为局部电信号[149]，[150]。这些生物电信号激活了糖尿病伤口中受损的多种再生过程，包括成纤维细胞

结论与展望

糖尿病伤口愈合仍然是一个持续的临床挑战。其病理微环境复杂且多因素影响。主要特征包括高血糖、慢性炎症、血管生成障碍以及感染易感性增加。传统疗法往往无法有效调节免疫微环境、刺激神经再生或提供组织修复所需的持续电信号。在这种背景下，压电水凝胶应运而生

作者贡献声明

杨书宇：撰写——初稿撰写、可视化、概念构思。宋楠：可视化。魏浩杰：可视化。张月：撰写——审稿与编辑。楚盈盈：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文工作的竞争性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（编号22505188）和湖北省自然科学基金（编号2024AFB017）的支持。