糖尿病足溃疡（DFU） 是糖尿病最严重的并发症之一，截肢率高达20%。长期以来，多重耐药菌感染、慢性炎症与氧化应激的恶性循环，使这类伤口难以愈合。然而，越来越多的证据表明，一个被长期忽视的关键因素在于——糖尿病患者伤口内源性电场的显著减弱或丧失。在健康上皮组织中，离子通道与转运蛋白的不对称分布建立了一个跨上皮电位；当皮肤受损，这一电位会短路，产生一个以伤口中心为负极的侧向电场，引导周围细胞定向迁移、增殖，从而高效修复组织。但在糖尿病状态下，离子通道/转运蛋白功能下降与电解质紊乱，共同破坏了这一精密的生物电导航系统。
针对这一难题，中国科学技术大学附属第一医院柏家祥主治医师、朱晨主任、苏州大学附属第一医院乔渝森医师、东方理工大学米博斌教授团队联合开发了一种名为ADZ@Lut的自供能离子热电双网络水凝胶。该水凝胶无需外部电源，仅利用皮肤与空气之间的天然温差即可产生伤口相关的微电流，同时整合了抗菌、抗炎和促再生功能，从生物电重建和微环境重塑双重通路加速糖尿病溃疡愈合。相关论文以“Bioelectric Reawakening by a Self-Powered Thermoelectric Hydrogel Accelerates Diabetic Ulcer Repair”为题，发表在Advanced Materials上。
示意图1 | ADZ@Lut水凝胶的设计与多功能性。 ADZ@Lut整合了基于AMPS-Na的离子热电网络与DPMA、木犀草素和Zn²⁺，形成双网络水凝胶。皮肤-空气温度梯度驱动Soret型离子热扩散，恢复伤口定向电场，并实现Zn²⁺和木犀草素的持续释放以抑制细菌定植和调节炎症。热电刺激进一步促进血管生成并激活Ca²⁺/钙调蛋白依赖性磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）和细胞外信号调节激酶（Erk）信号通路，从而增强成纤维细胞增殖和迁移。
研究团队设计了一种四组分协同的水凝胶体系：以离子热电单体AMPS-Na为主链，利用皮肤-空气约10K的温差，通过离子塞贝克效应持续输出约90mV的电压，模拟生理性伤口电场；同时引入含儿茶酚基团的DPMA提供强效湿态粘附；并通过木犀草素与Zn²⁺构建双网络结构，分别以化学方式和物理方式协同杀灭耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌，并抑制NLRP3炎症小体、清除活性氧，将巨噬细胞从促炎的M1型极化为修复的M2型（图1）。
扫描电镜显示，ADZ@Lut水凝胶形成了致密的三维多孔网络，而能量色散X射线光谱证实各元素分布均匀（图1a, b）。傅里叶变换红外光谱揭示了儿茶酚-木犀草素氢键与儿茶酚-Zn²⁺配位作用共存，证实了双网络结构的形成（图1d）。力学测试表明，该水凝胶在弯曲、扭转、压缩和拉伸下均能紧密贴合皮肤与关节部位，且储能模量远高于损耗模量，展现出优异的粘弹性固体行为；Zn²⁺的引入显著提高了极限应变与应力（图1c, e, f）。溶胀实验显示，ADZ@Lut因多重动态交联而实现了适度可控的溶胀与优异保水性（图1g）。在21天的释放曲线中，Zn²⁺呈“初始暴释后平台”模式，满足早期抗菌需求；木犀草素则持续缓慢释放，提供长效抗氧化支持（图1h）。热电势测试中，四种水凝胶的塞贝克系数均稳定在8-10 mV/K，离子电导率与热导率处于同一数量级（图1i-l）；当ADZ@Lut贴附于人体皮肤（温差约10K）时，实测开路电压达90.3 mV，与生理性伤口电场强度相当（图1m-o）。
图1 | AD、AD@Lut、ADZ和ADZ@Lut水凝胶的结构、力学、溶胀/释放及热电表征。 （a）四种配方的代表性SEM图像。（b）EDS元素分布图。（c）ADZ@Lut在皮肤和关节部位以及弯曲、扭转、压缩和拉伸状态下适应性粘附和机械顺应性的照片展示。（d）四种水凝胶的FTIR光谱。（e）频率扫描流变学显示所有配方均呈现固体样粘弹性行为（G′ ≫ G″）。（f）拉伸应力-应变曲线显示Zn²⁺掺入和双网络形成后强度和韧性增强。（g）四组水凝胶的溶胀曲线。（h）Zn²⁺和木犀草素在21天内的累积释放曲线。（i-l）热电参数：（i）功率因子，（j）塞贝克系数，（k）热导率，（l）四种水凝胶的离子电导率。（m）ADZ@Lut在阶梯式温度梯度（ΔT = 3、5和10 K）下的开路电压输出。（n）敷料部位的皮肤上展示和红外热成像（左：照片图像；右：热成像图），显示典型的皮肤-空气温度梯度（约10 K）。（o）皮肤上接触10分钟后的原位电压测量，显示ADZ@Lut在实际条件下产生约90 mV的输出。所有定量实验样本量n=3。数据以均值±SD表示。统计学显著性通过单因素方差分析和Tukey多重比较检验确定。P<0.05认为具有统计学显著性；ns，不显著。
在抗菌与抗生物膜实验中，ADZ@Lut对MRSA和大肠杆菌的抑制率分别达到97.57%和96.82%，显著优于单载木犀草素或Zn²⁺的水凝胶（图2a-c）。结晶紫染色与共聚焦显微镜证实，该水凝胶能深入破坏已形成的生物膜，在厚度方向上大幅减少活菌信号（图2d-f）。透射电镜观察到细菌细胞壁/膜破裂、胞浆渗漏等严重超微结构损伤（图2g）。值得注意的是，外加电刺激并未进一步增强抗菌效果，说明杀菌作用主要归因于Zn²⁺和木犀草素的化学协同而非电刺激本身（图2h）。
图2 | AD、AD@Lut、ADZ和ADZ@Lut对MRSA和大肠杆菌的抗菌和抗生物膜活性。 （a）与各配方共孵育24小时后的代表性菌落形成单位琼脂平板。（b,c）MRSA（b）和大肠杆菌（c）的细菌存活率定量。（d）结晶紫染色（上）和共聚焦激光扫描显微镜活/死成像（下）评估生物膜形成与破坏；结晶紫孔旁数字表示残留生物膜覆盖面积占孔总面积的比例。（e,f）通过CLSM获得的MRSA（e）和大肠杆菌（f）生物膜的深度分辨荧光强度分布图，量化活菌在生物膜厚度上的分布。（g）处理后细菌的代表性透射电子显微镜图像。（h）ADZ@Lut抗菌和抗生物膜机制的示意图。所有定量测量n=6个独立实验；数据以均值±SD表示。统计学显著性通过单因素方差分析和Tukey多重比较检验确定。p<0.05，p<0.001，p<0.0001。
在免疫调节实验中，脂多糖刺激的RAW264.7巨噬细胞经ADZ@Lut处理后，M1型标志物iNOS阳性细胞比例降低54.19%，M2型标志物Arg-1阳性细胞增加1.74倍（图3a, c, e, f）；流式细胞术也证实CD86⁺亚群减少、CD206⁺亚群增加（图3b, d, g, h）。qRT-PCR显示促炎基因Tnf、iNOS、NLRP3下调，抗炎基因Arg-1、Il-10及NF-κB负反馈调节因子Tnfaip3上调。在原代骨髓来源巨噬细胞中同样验证了这一趋势。此外，DPPH和ABTS自由基清除实验及DHE染色证实该水凝胶具有强抗氧化活性（图3i）。
图3 | ADZ@Lut对巨噬细胞极化的免疫调节作用。 （a,c）代表性免疫荧光图像显示M1标记物iNOS（a）和M2标记物Arg-1（c）的表达。（b,d）流式细胞术显示CD86⁺ M1（b）和CD206⁺ M2（d）巨噬细胞的比例。（e,f）基于免疫荧光染色的M1（e）和M2（f）巨噬细胞比例的定量分析。（g,h）基于流式细胞术的CD86⁺ M1（g）和CD206⁺ M2（h）巨噬细胞比例的定量分析。（i）RAW264.7巨噬细胞和L929成纤维细胞中DHE染色的代表性荧光图像，评估细胞内ROS水平。所有定量实验样本量n=6。数据以均值±SD表示。统计学显著性通过单因素方差分析和Tukey多重比较检验确定。p<0.05，p<0.001，p<0.0001。
在细胞增殖与迁移阶段，将成纤维细胞（L929）和内皮细胞（HUVECs）与ADZ@Lut共培养并施加热电刺激（ΔT=10K）后，CCK-8显示第3、5天细胞数量增至对照组的1.5倍（图4b, c）；Transwell实验中迁移细胞数分别增至5.3倍和2.4倍（图4d-g）；划痕实验中伤口闭合速率分别提高3.1倍和1.5倍（图4h-k）；Matrigel管形成实验中总管长度和节点数显著增加，证实热电刺激促进血管生成（图4l-n）。活/死染色进一步证实材料本身和温和电刺激均无细胞毒性（图4a）。
图4 | 热电刺激对细胞增殖、迁移和血管生成的体外促进作用。 （a）L929成纤维细胞和HUVECs的活/死染色代表性荧光图像。（b,c）CCK-8法检测L929细胞（b）和HUVECs（c）在第1、3、5天的增殖情况。（d-g）Transwell迁移实验：L929细胞（d,e）和HUVECs（f,g）的结晶紫染色代表性图像及迁移细胞数定量。（h-k）划痕愈合实验：L929细胞（h,i）和HUVECs（j,k）在0和24小时的代表性图像及伤口闭合率定量。（l-n）Matrigel管形成实验：HUVECs（l）的代表性图像，以及总管长度（m）和节点数（n）的定量。（o）示意图总结ADZ@Lut衍生的生物电信号如何促进成纤维细胞迁移和内皮细胞血管生成。所有实验样本量n=6。数据以均值±SD表示。统计学显著性通过单因素方差分析和Tukey多重比较检验确定。ns，不显著；p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。
为解析分子机制，研究团队对有无电刺激的成纤维细胞进行了RNA测序。主成分分析与火山图显示两组转录组显著分离，共1640个基因上调、764个下调（图5a, b, d）。基因本体富集分析显示细胞外基质结合、细胞粘附分子结合、钙调蛋白结合等条目显著富集（图5c, e）；京都基因与基因组百科全书通路分析揭示PI3K-Akt信号通路、粘着斑、ECM-受体相互作用等被激活（图5f）。基因集富集分析进一步证实钙信号通路、PI3K-Akt通路在电刺激组显著富集（图5g-i）。
图5 | 转录组学分析揭示Ca²⁺依赖性PI3K-Akt信号通路参与热电刺激增强的成纤维细胞迁移和增殖。 （a）ADZ@Lut (+) 和 ADZ@Lut组之间全局转录分离的3D PCA图。（b）RNA测序鉴定的差异表达基因火山图，红色表示ADZ@Lut (+) 相对于ADZ@Lut上调的基因，蓝色表示下调的基因。（c）弦图展示代表性上调基因及其相关的GO term。（d）比较ADZ@Lut (+) 和ADZ@Lut的DEGs热图。（e）GO分子功能富集分析突出显示了ECM结合、ECM结构成分、细胞粘附分子结合和钙调蛋白结合的过表达。（f）KEGG通路富集分析显示PI3K-Akt信号、粘着斑、ECM-受体相互作用和细胞骨架相关通路的激活。（g-i）钙信号通路（g）、PI3K-Akt信号通路（h）和Ras信号通路（i）的GSEA分析，显示在ADZ@Lut (+) 组中显著富集。RNA-seq使用生物学三重复（每组n=3）。统计学显著性通过Benjamini-Hochberg校正p值定义，log2倍数变化≥1且padj<0.05。
机制验证实验中，Fluo-4 AM活细胞成像显示热电刺激迅速升高胞内Ca²⁺水平（图6a, b）；Western blot表明电刺激增强Akt和Erk磷酸化（图6c-e）。使用Ca²⁺螯合剂BAPTA-AM后，电刺激诱导的Ca²⁺升高被抑制，Akt和Erk磷酸化消失，划痕愈合加速效应也完全消除（图6f-l）。钙调蛋白抑制剂W-13同样阻断了Akt/Erk磷酸化（图6m-o）。PI3K抑制剂LY294002不仅抑制了Akt磷酸化，也显著降低了Erk磷酸化，表明在该体系中Erk的激活依赖于PI3K而非经典MAPK通路（图6p-r）。由此提出机制模型：热电刺激→Ca²⁺内流→钙调蛋白→PI3K-Akt/Erk→促进成纤维细胞迁移与增殖（图6s）。
图6 | 热电刺激激活Ca²⁺-钙调蛋白-PI3K-Akt/Erk信号通路促进成纤维细胞增殖和迁移。 （a）空白、ADZ@Lut和ADZ@Lut (+) 条件下Fluo-4染色成纤维细胞内Ca²⁺的代表性荧光图像；细胞核用Hoechst复染。（b）Fluo-4荧光强度定量。（c）指定处理下磷酸化和总Akt及Erk的Western blot分析。（d,e）p-Akt/Akt和p-Erk/Erk比值的定量。（f,g）Ca²⁺螯合剂BAPTA-AM处理后细胞内Ca²⁺的代表性荧光图像（f）及相应定量（g）。（h）Ca²⁺螯合后Akt和Erk磷酸化被抑制的Western blot结果。（i,j）Ca²⁺螯合后p-Akt/Akt和p-Erk/Erk比值的定量。（k,l）Ca²⁺阻断后成纤维细胞划痕愈合实验及迁移定量分析。（m-o）钙调蛋白抑制剂W-13存在下p-Akt/Akt和p-Erk/Erk比值的Western blot分析及定量。（p-r）PI3K抑制剂LY294002处理后p-Akt/Akt和p-Erk/Erk比值的Western blot分析及定量。（s）热电刺激触发的Ca²⁺依赖性信号级联示意图：Ca²⁺内流激活钙调蛋白，导致PI3K活化，进而使Akt和Erk磷酸化，从而促进增殖和迁移。数据以均值±SD表示（n=4）。统计学显著性通过单因素方差分析和Tukey多重比较检验确定。ns，不显著；p<0.01，p<0.001，***p<0.0001。
在糖尿病大鼠全层皮肤缺损感染模型中，ADZ@Lut组伤口愈合速度最快，第6天伤口长度降至对照组的41%，第14天愈合率达66.84%（图7c-e）。H&E染色显示ADZ@Lut组术后第3天中性粒细胞浸润明显减轻（图7f），第14天新生表皮更连续且更薄，Masson染色显示胶原沉积更致密有序，皮肤附属器再生也更完全（图7h, i）。细菌定量培养证实ADZ@Lut组伤口组织细菌载量显著降低（图7g）。在MRSA单独感染的糖尿病伤口模型中同样验证了加速愈合与减轻炎症的效果（图7）。
图7 | ADZ@Lut水凝胶在糖尿病大鼠感染伤口模型中的体内伤口愈合效果。 （a）糖尿病大鼠背部感染性全层皮肤缺损模型建立及治疗流程示意图。（b）ADZ@Lut水凝胶利用皮肤-空气温差产生热电微电流的示意图。（c）各组在第0、3、6、10、14天的代表性伤口照片。（d）伤口愈合过程的热图可视化。（e）各组随时间变化的伤口闭合率定量曲线。（f）第3天伤口组织的H&E染色代表性图像，绿色箭头指示中性粒细胞。（g）第3天伤口组织的细菌载量定量（菌落形成单位计数）。（h）第14天伤口组织的H&E染色代表性图像，黄色箭头指示新生表皮。（i）第14天伤口组织的Masson三色染色代表性图像，红色箭头指示皮肤附属器。样本量n=6。数据以均值±SD表示。统计学显著性通过单因素方差分析和Tukey多重比较检验确定。ns，不显著；p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。
免疫荧光与免疫组化分析表明，ADZ@Lut在第3天显著降低iNOS和髓过氧化物酶表达，升高Arg-1水平，证实其将炎症微环境从M1型转向M2型（图8a-c, e）。第14天，ADZ@Lut组CD31⁺/α-SMA⁺成熟血管结构、Ki67阳性增殖细胞及VEGF表达均显著增加，表明其促进血管新生与细胞增殖（图8d, f, h-j）。同时，I型胶原沉积增多、III型胶原减少，提示向成熟修复组织过渡（图8g, k, l）。磷酸化Akt和Erk在伤口组织中也显著升高，与体外机制一致。生物安全性评估显示，所有水凝胶提取物均无显著溶血反应，主要脏器未见病理异常。
图8 | ADZ@Lut在糖尿病伤口中协调炎症消退、血管生成和基质重塑。 （a）第3天（炎症期）的代表性免疫荧光图像，显示iNOS（红色）/CD68（绿色）/DAPI（蓝色）和Arg-1（红色）/CD68（绿色）/DAPI（蓝色），以及各组伤口组织中MPO的免疫组化染色。（b,c）iNOS（b）和Arg-1（c）的平均荧光强度定量。（e）MPO表达的平均光密度定量。（d）第14天（增殖期）的代表性免疫荧光图像，显示CD31（红色）/α-SMA（绿色）/DAPI（蓝色）、Ki67（红色）/DAPI（蓝色）和VEGF（红色）/DAPI（蓝色）。（f,h）CD31（f）和α-SMA（h）的平均荧光强度定量。（i,j）Ki67（i）和VEGF（j）的平均荧光强度定量。（g）第14天重塑期的代表性免疫荧光图像，显示Col I（红色）/DAPI（蓝色）和Col III（红色）/DAPI（蓝色）。（k,l）Col I（k）和Col III（l）的平均荧光强度定量。数据以均值±SD表示（n=6）。统计学显著性通过单因素方差分析和Tukey多重比较检验确定。ns，不显著；p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。
综上，该研究提出了一种“热电-抗菌-抗炎”三重协同策略，通过将离子热电材料与天然产物木犀草素及Zn²⁺整合于一个强韧粘附的双网络水凝胶中，实现了无需外部电源、仅靠皮肤天然温差驱动的糖尿病溃疡修复。与依赖光热触发或外源性机械驱动的压电/摩擦电系统不同，该水凝胶真正实现了自供能，且其离子热电机制更贴近生理性离子流导电模式。未来通过单细胞多组学与磷酸化蛋白组学进一步解析全伤口水平的细胞类型特异性响应，这一平台有望拓展至术后感染伤口、压力性溃疡等其他难愈合创面的治疗。
来源：高分子科学前沿
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