中科院上海硅酸鹽所劉宣勇團(tuán)隊 Mater. Today：基于壓電增強動電效應(yīng)的超聲響應(yīng)水凝膠促進(jìn)神經(jīng)血管再生加速糖尿病創(chuàng)面愈合
糖尿病創(chuàng)面愈合困難是糖尿病患者面臨的主要并發(fā)癥之一。糖尿病創(chuàng)面局部血管壞死、周圍神經(jīng)病變以及細(xì)菌感染嚴(yán)重阻礙了創(chuàng)面愈合，開發(fā)一種能夠抗菌并且促進(jìn)神經(jīng)和血管再生的新型創(chuàng)面敷料具有重要的臨床意義。細(xì)胞膜電位和內(nèi)源性電場在細(xì)胞和組織的代謝與修復(fù)中發(fā)揮著重要作用，細(xì)菌的物質(zhì)和能量代謝與跨膜電子轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。設(shè)計具有電刺激功能的水凝膠敷料能調(diào)節(jié)創(chuàng)面的電生理微環(huán)境從而促進(jìn)創(chuàng)面愈合。
近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽所劉宣勇、邱家軍團(tuán)隊與烏鎮(zhèn)實驗室龔文、姚方周團(tuán)隊合作開發(fā)了一種新型超聲響應(yīng)水凝膠，通過壓電增強的動電效應(yīng)實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，顯著促進(jìn)糖尿病創(chuàng)面神經(jīng)血管再生從而加速傷口愈合（圖1）。該水凝膠由明膠/聚乙烯醇聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)合鈮酸鉀鈉壓電納米晶體和還原氧化石墨烯構(gòu)成，具有良好的自愈性、皮膚粘附性和導(dǎo)電性。研究結(jié)果表明，該水凝膠在超聲作用下可產(chǎn)生電刺激，有效促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞血管生成、上調(diào)施萬細(xì)胞神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)并抑制細(xì)菌感染，能促進(jìn)創(chuàng)面組織中神經(jīng)血管再生，加快創(chuàng)面愈合，這為糖尿病傷口的治療提供了新思路。相關(guān)工作以 An ultrasound-responsive hydrogel with piezoelectric-enhanced electrokinetic effect accelerates neurovascular regeneration for diabetic wound healing為題發(fā)表在《Materials Today》。文章第一作者是中國科學(xué)院上海硅酸鹽所王芳博士。
圖1. 水凝膠的聲電轉(zhuǎn)換機(jī)制和糖尿病傷口愈合示意圖。
該工作的主要創(chuàng)新點在于其基于壓電增強動電效應(yīng)的聲電轉(zhuǎn)換機(jī)制（圖2）。根據(jù)動電效應(yīng)理論，超聲波在含電解液的多孔水凝膠傳播時，聲壓驅(qū)動電解液流動，使固-液界面雙電層中的離子沿聲波方向移動，從而產(chǎn)生流動電勢。無鉛壓電材料鈮酸鉀鈉因其卓越的壓電性能和生物相容性而備受關(guān)注。超聲刺激誘導(dǎo)鈮酸鉀鈉極化和表面電荷重排，使得水凝膠表面非平衡電荷增加，壓電效應(yīng)與動電效應(yīng)結(jié)合使得水凝膠的超聲響應(yīng)電信號增強。
圖2. 水凝膠在超聲作用下基于壓電增強動電效應(yīng)產(chǎn)生電刺激。
細(xì)胞實驗表明，超聲響應(yīng)水凝膠能顯著促進(jìn)施萬細(xì)胞神經(jīng)修復(fù)相關(guān)基因NGF、Calm3和BDNF表達(dá)，并促進(jìn)神經(jīng)營養(yǎng)因子NGF、BDNF和VEGF分泌,促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞成血管及相關(guān)基因VEGFR-2、FGF-2和PDGF-B表達(dá)（圖3）。
圖3. 超聲響應(yīng)水凝膠促進(jìn)神經(jīng)血管再生進(jìn)而加速糖尿病傷口愈合。
超聲響應(yīng)水凝膠破壞了細(xì)菌膜，抑制細(xì)菌能量物質(zhì)ATP合成，從而有效抑制細(xì)菌的增殖（圖4），對金黃色葡萄球菌的抗菌率達(dá)98.5%，對大腸桿菌的抗菌率也達(dá)到95.8%。
圖4. 超聲響應(yīng)水凝膠可破壞細(xì)菌膜并影響細(xì)菌能量代謝從而實現(xiàn)抗菌。
糖尿病大鼠創(chuàng)面模型結(jié)果表明，超聲響應(yīng)水凝膠促進(jìn)了創(chuàng)面組織中神經(jīng)纖維和新生血管數(shù)再生，進(jìn)而加速了傷口愈合（圖5）。
圖5. 超聲響應(yīng)水凝膠促進(jìn)神經(jīng)血管再生加速糖尿病創(chuàng)面愈合。
這項研究開發(fā)了一種新型超聲響應(yīng)水凝膠，通過壓電增強動電效應(yīng)產(chǎn)生電刺激，促進(jìn)創(chuàng)面組織神經(jīng)血管再生，加快創(chuàng)面愈合，這為糖尿病創(chuàng)面的治療提供了新思路。
原文鏈接：Fang Wang1, Jiajun Qiu1, *, Shiwei Guan, Shuhan Chen, Xiaoshuang Nie, Zhengqian Fu, Fang-Zhou Yao*, Wen Gong*, Ke Wang, Xuanyong Liu*. An ultrasound-responsive hydrogel with piezoelectric-enhanced electrokinetic effect accelerates neurovascular regeneration for diabetic wound healing. Materials Today, 2025。
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.02.003
