近日，西安交通大学杨雨桐、郭保林团队在《Nature Communications》发表题为 “Thermal-feedback modality switchable hydrogel with thermoelectric self-modulation for stage-adaptive repair of infected diabetic wound” 的研究论文。该研究针对感染性糖尿病创面不同修复阶段治疗需求不断变化这一关键问题，设计了一种仿生热反馈模态切换水凝胶（thermal-feedback modality switchable hydrogel，TFMS）。该材料能够根据温度及创面高糖微环境动态调整自身光热行为，实现从恒温光热抗菌向温和热电刺激促再生的功能转换，为复杂慢性创面的阶段自适应治疗提供了新的材料设计思路。

从“固定治疗”走向“阶段自适应治疗”

  糖尿病创面通常伴随持续高糖、细菌感染、氧化应激、慢性炎症、血管生成障碍以及内源性生物电信号减弱等多重异常。更重要的是，创面在不同阶段的治疗需求并不相同：感染阶段需要快速有效地清除细菌，而进入增殖和组织重建阶段后，则更需要保护脆弱的新生组织并促进细胞迁移、血管生成和再上皮化。

  传统光热治疗通常依靠外部调节激光功率控制温度，难以根据创面状态自主响应。当温度不足时可能影响抗菌效率，而温度过高又可能损伤周围正常及新生组织。因此，如何使材料像生物体一样感知环境变化，并主动改变治疗模式，是本研究关注的核心科学问题。

  受沙漠蜥蜴通过调节皮肤中鸟嘌呤晶体排列改变光吸收和反射、实现体温调控的启发，研究团队构建了TFMS水凝胶。通过将NIPAM与高亲水性两性离子单体SBVI共聚，研究人员将水凝胶的体积相变温度预先设定至适合光热抗菌的生物安全温度窗口；同时引入葡萄糖氧化酶（GOx）以及EGCG-Fe3?金属-多酚网络修饰的Bi?Te?（BTE），赋予材料光热、热电以及高糖响应能力。

图1.TFMS水凝胶的设计及阶段自适应治疗机制示意图

热反馈“自动刹车”，将光热温度稳定在约48 ℃

  TFMS水凝胶首先解决的是光热治疗中的“过热”问题。在低于预设相变温度时，材料能够有效吸收近红外光并快速升温；当温度接近约48 ℃时，PNIPAM链段发生相变，使水凝胶内部形成大量微尺度光散射区域，材料由透明状态转变为“白化”状态，从而降低近红外光继续向内部传播和被吸收的程度。

  这种由温度升高→结构相变→光学性质改变→光热输入下降构成的负反馈，使材料无需实时调节激光功率即可实现温度自限制。

  实验结果显示，EGCG-Fe3?修饰后BTE的光热转换效率由Bi?Te?的13.12%提升至25.45%。在相同条件下，缺乏热反馈能力的对照水凝胶温度可继续升高至约61.6 ℃，并可随激光功率增加达到约76 ℃；相比之下，TFMS水凝胶能够将温度稳定限制在约48 ℃附近。同时，其高温热扩散范围也明显受到限制，从而降低对深部组织造成热损伤的风险。

图2. TFMS水凝胶的热反馈、恒温光热及空间热管理性能

从“光热抗菌”切换到“热电促修复”

  更关键的是，这种材料并非只会“恒温”，而是能够随着创面微环境变化进一步改变治疗模式。

  感染得到控制后，糖尿病创面中持续存在的高浓度葡萄糖成为驱动下一阶段功能转换的信号。GOx催化葡萄糖产生葡萄糖酸，逐渐解离BTE表面的EGCG-Fe3?金属-多酚网络，一方面释放具有抗氧化和炎症调节作用的EGCG，另一方面降低材料的近红外吸收和光热升温能力。

  此时，材料由较高温度的光热抗菌状态转向更加温和的热刺激状态。而Bi?Te?本身又是一种经典n型热电材料，水凝胶与创面之间形成的温度梯度可以驱动电子定向迁移，将热能进一步转化为电信号。

  实验中，当温差分别为3、6和9 K时，水凝胶可产生约22、35和39 mV的电势差。在糖尿病大鼠创面中，未经处理时创面中心与边缘的电势差仅约3–4 mV；应用TFMS水凝胶并进行近红外照射后，可提高至约25–27 mV，相当于额外补偿约20 mV的生物电信号，为细胞迁移和组织再生提供新的物理调控因素。

图3.TFMS水凝胶的热电转换及糖尿病创面生物电场补偿机制

动物实验：兼顾创面闭合速度与组织再生质量

  在MRSA感染的糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型中，研究团队进一步评价了TFMS水凝胶的治疗效果，并以商业化生物活性敷料Flamigel作为对照。

  治疗14天后，PNISB/GOx/BTE组的残余创面面积仅为5.8%，而Flamigel组仍达到49.6%。组织学结果进一步显示，TFMS水凝胶不仅促进了创面闭合，还改善了再生质量：其血管再生更加充分，胶原沉积更加广泛且有序；至修复后期，其真皮缺损范围也最小，提示皮肤附属结构和真皮组织获得了更完整的重建。

图4.感染性糖尿病创面的体内治疗效果、血管生成及组织学修复结果

多机制协同推动创面由炎症向再生有序转换

  进一步的免疫荧光及转录组分析揭示了TFMS水凝胶促进修复的生物学基础。治疗后创面氧化应激和TNF-α表达明显降低，促炎性iNOS阳性巨噬细胞减少，而CD206阳性修复型巨噬细胞增加；与此同时，Ki67相关细胞增殖及血管生成相关信号得到增强。

  RNA测序共检测到1116个差异表达基因。与血管生成、创面修复及上皮再生相关的基因整体上调，而多种促炎相关基因受到抑制。GO和KEGG分析进一步显示，细胞周期、ECM-受体相互作用及PI3K-Akt等与组织再生和血管生成相关的通路得到调控，同时NF-κB、IL-17等炎症相关信号受到抑制。

图5.TFMS水凝胶调控炎症、细胞增殖、血管生成及创面修复相关分子机制

  该研究构建了一种能够进行热反馈、自我限温和治疗模态切换的仿生水凝胶。其核心并非简单叠加光热、抗炎和热电功能，而是利用温度与创面葡萄糖作为反馈信号，使不同功能随创面修复进程动态变化：感染阶段通过约48 ℃的自限制光热效应快速抗菌并降低热损伤风险；随后利用高糖响应释放EGCG调节炎症微环境，同时降低光热强度，并进一步通过温和温差激活热电效应，补偿糖尿病创面受损的生物电信号。

  这种“功能分阶段、作用相连续”的材料设计模式，使治疗策略能够从单一、固定输出进一步走向对病理微环境变化的主动适配。研究结果为感染性糖尿病创面的治疗提供了新的思路，也为缺血性创面、免疫功能异常相关创面等复杂组织损伤中自适应热调控材料和动态再生治疗体系的设计提供了参考。

  论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76553-w

  团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/baoling/

郭保林简介：

  郭保林，博士，二级教授，博士生导师，国家级领军人才计划入选者，国家级青年拔尖人才，陕西省杰出青年基金获得者，爱思唯尔高被引学者，西安交通大学领军学者和青年拔尖计划人才A类入选者。2011年从瑞典皇家理工学院（KTH）获得高分子材料学博士学位，师从瑞典皇家工程院院士Ann-Christine Albertsson教授（Biomacromolecules创刊主编）。主要从事生物医用高分子材料的研究，具体研究方向包括可降解导电高分子材料、多功能水凝胶、组织工程支架与再生医学、药物控制释放体系、皮肤敷料、止血材料、可穿戴器件等。已经以第一/通讯作者在Nature Reviews Chemistry, Nature Protocols, Nature Communications, Chemical Society Reviews, Progress in Materials Science, Progress in Polymer Science, National Science Review, Advanced Materials,等国际期刊发表论文160余篇，其中影响因子大于10的论文100余篇，ESI高被引论文50余篇, 单篇最高引用2800余次，SCI引用41000余次，H指数92。授权/申请发明专利16项，目前主持/完成省部级科研项目10项，包括国家重点研发计划课题1项和国家自然科学基金项目5项。获陕西省高等学校科学研究优秀成果奖一等奖（第一完成人）和美国化学会Chemistry of Materials Lectureship Award（全球每年1人）, 任国家自然科学基金委函评专家、中国生物材料学会水凝胶分会常务理事和中国生物学会血液净化分会委员。任ACS Biomaterials Science and Engineering、Science China Chemistry、Nanomaterials、Advanced Fiber Materials 、Nano-Micro Letters期刊（青年）编委。受国家出版基金资助主编专著1部《皮肤组织修复与再生材料》，撰写英文专著2章。