糖尿病溃疡的伤口微环境中血糖水平较高且存在坏死组织碎片，因此易受到细菌侵袭。如果局部细菌过多，超过宿主免疫反应的清除能力，就会发生感染，随着细菌附着、繁殖、生物膜形成和活组织的破坏，感染会逐步恶化。因此，防止初始细菌污染，抑制后续菌膜形成，可有效控制感染。

  近期，四川大学王云兵教授/张婕妤副研究员设计了一种基于琼脂糖和壳聚糖的水凝胶用于促进糖尿病溃疡愈合。磺酸型两性离子通过异氰酸酯基与氨基的反应接枝到壳聚糖的氨基位点，随后将导电组分聚吡咯以共价接枝的方式引入到水凝胶网络中，得到的水凝胶具有稳定的仿生电导率。琼脂糖和两性离子因为强大的水合作用，可以防止蛋白质吸附和细菌粘附。为了进一步提高水凝胶的抗菌性，还将稀土金属铽离引入到水凝胶网络中。抗污成分和杀菌铽离子的结合表现出了突出的抗菌效果，完全抑制了金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生物膜形成。该工作以“Conductive hydrogels with hierarchical biofilm inhibition capability accelerate diabetic ulcer healing”为题发表在Chemical Engineering Journal上。文章第一作者为四川大学生物医学工程学院博士张语馨，该研究得到国家自然科学基金（No. 52273138和No. 51903176），四川省重大科技专项（2022ZDZX0032-LH），中国博士后科学基金（No. 2018M640919）和四川大学华西护理学科发展专项资金项目（No. HXHL19003）的支持。

图 1.（A）聚吡咯接枝两性离子壳聚糖的合成和（B）导电抗菌水凝胶的制备示意图。

图2.（A）金黄色葡萄球菌和（B）大肠杆菌在不同水凝胶上的生物膜形成。（C）金黄色葡萄球菌和（D）大肠杆菌在水凝胶表面定植的照片和定量统计。

  这种水凝胶网络可以通过多种相互作用方式，如氢键、静电相互作用和配位相互作用，在应力下释放和分散能量。它由琼脂糖和壳聚糖组成，可以在一定程度上保持稳定性和柔韧性。因此，它可以很好地为创面提供物理屏障和力学缓冲。当两性离子和聚吡咯同时接枝到壳聚糖上时，显著提高了聚吡咯的亲水性，使其均匀地分布在水凝胶中。这解决了常见的疏水导电组分自聚集和分散不均匀的问题。复合水凝胶中的铽离子可以通过与聚吡咯的电子结构相互作用来实现仿生导电，使其在生物应用中表现出良好的导电性。

图3. 不同组分水凝胶的（A）应力应变曲线和（B）照片。（C）聚吡咯、聚吡咯接枝壳聚糖、聚吡咯接枝两性离子壳聚糖，在去离子水中的分散性。（D）铽离子在PBS和DMEM中的体外释放曲线以及（E）一阶模型下的释放速率常数。（F）导电率测试（G）电化学阻抗谱测试和（H）循环伏安法测试表征不同水凝胶的导电性。

  在大鼠糖尿病溃疡感染模型中，对照组和电刺激组的伤口在第三天出现明显的浆液性渗出物感染迹象，抗菌水凝胶组的伤口则相对清洁干燥。水凝胶的高抗菌活性，有助于糖尿病溃疡加速通过炎症阶段，电刺激引导并触发伤口愈合相关细胞的迁移，进而促进伤口的闭合，因此电刺激与导电抗菌水凝胶在促进伤口愈合方面具有协同作用。

图4. （A）体内伤口愈合评估示意图。（B）14天内不同组伤口的图像。（C）14天内不同组的伤口轮廓变化。（D）伤口面积和（E）伤口愈合率的定量。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142457

作者简介

  王云兵教授，国家生物医学材料工程技术研究中心主任、四川大学生物医学工程学院院长，国家有突出贡献中青年专家，国务院特殊津贴专家、国际生物材料科学与工程学会联合会Fellow，中国生物材料学会副理事长、科技部生物材料国际交流合作基地主任、教育部组织再生性生物材料科学与工程创新引智基地主任。主要从事心脑血管疾病等治疗的新型生物医用材料和微创介入医疗器械的基础研究与产品应用开发。主持开发了一系列国内、国际首创的心血管医疗器械产品并实现大规模临床应用。在此基础上，已申报国内、国际专利500多项，并在Advanced Materials、Science和Nature子刊等国际知名期刊发表论文200多篇。获教育部技术发明一等奖（2020）、 四川省科技进步一等奖（2022）和中国侨界贡献一等奖（2020）等奖项，研究成果被 Nature、麻省理工科技评论、英国经济学人等专题报道。

  张婕妤副研究员，四川省海外高层次留学人才，博士毕业于新加坡国立大学，2017年加入四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心，专注于导电水凝胶的设计及其在生物医药领域的应用。