受人类皮肤保湿和保护功能的启发，中山大学附属第一医院廖威明主任和华南理工大学张琨雨、边黎明教授团队开发了一种用于加速糖尿病足溃疡（DFU）愈合的活性氧驱动的供氧水凝胶喷雾（OxyGel）。该喷雾结合了模拟超氧化物歧化酶（SOD）/过氧化氢酶（CAT）功能的纳米酶和动态交联的超分子水凝胶。通过唑来膦酸辅助组装铈离子并用单宁酸修饰，制备了具有级联催化功能的纳米酶（TCZ）。接着利用透明质酸、去铁胺修饰的β-环糊精和叔丁基苯乙酸修饰的透明质酸，通过动态主客体相互作用和席夫碱键制备了可喷雾的OxyGel，并通过氢键锚定TCZ纳米酶。OxyGel能有效改善氧化和缺氧微环境，促进M1型巨噬细胞向M2型极化，并增强体外内皮细胞的存活、迁移和血管生成。在动物模型中，仅一次使用OxyGel喷雾即可显著加快两周内的伤口愈合。该文章于2025年6月10日以《Nanozyme-Reinforced Hydrogel Spray as a Reactive Oxygen Species-Driven Oxygenator to Accelerate Diabetic Wound Healing》为题发表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202504829）。

图1 纳米酶增强水凝胶喷雾作为活性氧驱动的氧合器（OxyGel喷雾）加速糖尿病足部溃疡伤口愈合的示意图。a）TCZ纳米酶的合成路线和级联催化功能示意图。b）OxyGel喷雾的制备工艺和交联机制示意图。c）OxyGel喷雾在糖尿病足部溃疡治疗中的作用机制

（1）TCZ 纳米酶和可喷涂 OxyGel 的表征

构建了一种纳米酶增强型水凝胶喷雾。利用唑来膦酸介导铈离子组装形成CZ纳米颗粒，再经单宁酸修饰得到抗氧化的TCZ纳米酶。透射电子显微镜（TEM）显示TCZ纳米酶为均匀球体，平均直径100 nm，动态光散射（DLS）测得其流体动力学尺寸约为150 nm（图2a、b）。TCZ纳米酶的催化活性源于Ce³⁺/Ce⁴⁺的氧化还原循环，具有SOD和CAT类活性。实验验证了TCZ纳米酶的酶模拟活性（图2c），其对超氧阴离子（•O₂^-）的清除能力呈剂量依赖性增加，电子顺磁共振（EPR）光谱进一步证实了其SOD模拟活性（图2d）。TCZ纳米酶催化H₂O₂分解产生氧气的能力随H₂O₂浓度增加而增强（图2e）。在溶血实验中，TCZ纳米酶在铈离子浓度高达500 µM时仍保持稳定的血液相容性（图2f）。扫描电子显微镜（SEM）显示OxyGel具有均匀、连通的多孔微观结构（图2h）。动态流变测试表明，OxyGel具有典型的水凝胶行为，储能模量（G’）高于损耗模量（G’’），且在75%应变下仍能保持完整并快速恢复（图2i、j、k）。OxyGel在12 h内达到膨胀平衡并保持稳定（图S10）。通过单喷头喷雾，OxyGel可形成均匀且覆盖面积大的完整薄膜（图2l、图S11、S12）。与传统预制水凝胶和注射水凝胶相比，OxyGel喷雾使用更方便，可为暴露在空气中的糖尿病伤口提供即时物理保护。OxyGel的pH响应性使其在酸性糖尿病伤口微环境中能够智能调节TCZ纳米酶的释放速率（图2m）。

图2 TCZ 纳米酶和可喷涂 OxyGel 的表征。 a) TCZ 纳米酶的 TEM 图像。b) 通过 DLS 测量 TCZ 纳米酶的水化尺寸分布。c) TCZ 纳米酶的 SOD 和 CAT 模拟活性示意图。d) TCZ 纳米酶的 SOD 和 e) CAT 模拟活性测量（n  = 3）。f) TCZ 纳米酶的血液相容性（n  = 3）。插图：溶血测试的数码照片。g) OxyGel 的溶胶-凝胶转变。h) OxyGel 的 SEM 图像。i) OxyGel 的时间和 j) 应变扫描测试。k) OxyGel 的流变学阶跃应变振荡时间扫描测量。l) 喷涂 OxyGel 后形成的即时水凝胶膜的照片。 m) 不同条件下（pH 5.5、6.5 和 7.4）TCZ 纳米酶从 OxyGel 中释放的概况（n = 3）

（2）OxyGel水凝胶诱导抗炎M2巨噬细胞极化并捕获过量的ROS以促进氧合

在炎症阶段，通过脂多糖（LPS）刺激的巨噬细胞模型评估了OxyGel诱导M2型（抗炎）巨噬细胞极化的抗炎特性（图3a）。实验中还构建了不含TCZ纳米酶的空白水凝胶（Gel）作为对照。CCK-8实验结果表明，Gel和OxyGel对巨噬细胞和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）均具有良好的生物相容性。经LPS刺激24小时后，与OxyGel共孵育的巨噬细胞中诱导型一氧化氮合酶（iNOS，M1标志物）荧光强度显著降低，而精氨酸酶-1（Arg-1，M2标志物）荧光强度增加，表明OxyGel可显著促进巨噬细胞从M1型向M2型转变（图3b-e）。实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR）结果与免疫荧光染色结果高度一致（图3f-i，图S17、S18）。与LPS+PBS组相比，OxyGel组巨噬细胞中促炎介质（如CD86、白细胞介素-1β和肿瘤坏死因子-α）的mRNA表达水平降低，而抗炎介质（如CD206、白细胞介素-10和CD163）的基因表达水平升高，显示出OxyGel的显著抗炎功能。

此外，鉴于OxyGel具有清除活性氧（ROS）和产生氧气的双重功能，实验评估了其将LPS诱导的ROS转化为氧气的能力。通过将HUVECs与OxyGel共孵育，并使用经典的ROS探针2′7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）和氧气探针三（4,7-二苯基-1,10-菲咯啉）钌（II）二氯化物复合物[Ru(dpp)₃Cl₂]进行染色，观察到OxyGel显著降低了由LPS诱导的细胞内ROS积累，荧光强度降低了约一倍（图3j、k）。同时，由于细胞内氧气的生成，与OxyGel共培养的HUVECs中[Ru(dpp)₃]Cl₂的荧光信号显著猝灭（图3l、m）。这些结果证实了OxyGel能够同时实现高效的ROS清除和持续的氧气供应，突显了其在糖尿病伤口愈合中的治疗潜力。

图3 具有ROS 清除和O2生成双重功能的 OxyGel 可诱导巨噬细胞从 M1 复极化为 M2。a) 示意图说明 OxyGel 对 LPS 刺激的巨噬细胞的抗炎作用。b) 和 c) 未经或经不同处理的巨噬细胞的免疫荧光染色。比例尺，50 µm。d) 巨噬细胞中的 iNOS 和 e) Arg-1 荧光强度（n = 20）。fi) 通过 RT-qPCR 分析评估的 M1 巨噬细胞标志物（CD86 和 IL-1β）和 M2 巨噬细胞标志物（CD206 和 IL-10）的 mRNA 水平（n = 3）。 jk) 使用 ROS 探针 (DCFH-DA) 测量 LPS 诱导的 ROS 清除功能。比例尺，200 µm。 lm)使用O2探针 [Ru(dpp)3Cl2 ]测量O2生成功能。红色 Ru(dpp)3Cl2荧光被 O2猝灭( n  = 20)。比例尺，200 µm。数据以平均值±标准差 (SD) 表示；使用单因素方差分析 (ANOVA) 和 Tukey 事后检验评估统计学差异；***0.0001 < p  < 0.001，和 **** p  < 0.0001

（3）OxyGel水凝胶保护体外增殖、迁移和血管生成免受氧化损伤

在增殖阶段，研究了OxyGel对过氧化氢（H₂O₂）诱导的氧化应激下人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的保护作用（图4a）。实验建立了H₂O₂诱导的氧化损伤模型，结果表明OxyGel能清除细胞内过量的ROS，使ROS水平恢复正常（图4b、c）。通过EdU掺入实验评估OxyGel在富含H₂O₂的微环境中对细胞增殖的保护作用H₂O₂+OxyGel组的EdU阳性细胞数量显著增加，表明DNA合成增多（图4d、e）。细胞增殖实验结果与EdU实验一致，H₂O₂+OxyGel组的细胞增殖率高于H₂O₂+PBS组，显示出OxyGel对H₂O₂诱导的氧化损伤具有缓解作用（图4f）。

通过划痕实验评估H₂O₂刺激下HUVECs的迁移能力（图4g、h）。结果显示，H₂O₂显著抑制了HUVECs的迁移，而OxyGel能逆转这一抑制作用。在管状结构形成实验中，H₂O₂+OxyGel组的HUVECs在共培养6小时后，分支数量和总分支长度均显著高于其他H₂O₂处理组，表明OxyGel具有促进血管生成的潜力。

图4 OxyGel 促进H₂O₂诱导的氧化应激下 HUVEC 的增殖、迁移和血管生成。a) 示意图说明 OxyGel 对受H₂O₂刺激的 HUVEC 的保护作用。b、c)通过 DCFH-DA 测量H₂O₂诱导的 OxyGel 的 ROS 清除能力 ( n =20)。比例尺，200 µm。de) HUVEC 中的免疫荧光图像和 EdU 染色的量化 ( n =5)。比例尺，200 µm。f) 接受不同处理的 HUVEC 的细胞增殖测定 ( n =3)。g) 对接受不同处理的 HUVEC 在 0、12 和 24 小时进行的划痕愈合试验 (n=3)。比例尺，200 µm。 h) 体外划痕实验测定的伤口愈合率（n =3）。i) 不同处理后HUVEC的成管能力。比例尺：100 µm。j、k) 分支数量和总分支长度的量化（n  =3）

（4）OxyGel喷雾加速糖尿病全层背部皮肤伤口愈合

OxyGel具有良好的喷雾性、抗氧化能力、氧气释放和抗炎特性，有望用于糖尿病伤口愈合。实验建立了链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病大鼠全层背皮肤缺损模型（直径10 mm），评估OxyGel喷雾的愈合加速性能（图5a）。对切口伤口分别进行一次Gel、OxyGel喷雾或商业水凝胶敷料（Hydrosorb）处理，未处理伤口作为对照。结果显示，经OxyGel喷雾处理的伤口在治疗14天后愈合率显著加快，接近100.00%，与其他组相比差异显著（图5b-e）。而Hydrosorb处理组在第14天的愈合率仅比对照组高约10.00%。

进一步对四组再生伤口组织样本进行组织学分析，包括苏木精-伊红（H&E）染色和马松染色（图5f-j），评估伤口愈合参数，如瘢痕指数、表皮厚度和胶原比例。OxyGel喷雾组的瘢痕指数最低，表明其具有无瘢痕愈合的潜力（图5g）。此外，该组伤口的表皮层最薄，有利于防止厚痂或瘢痕疙瘩形成（图5h）。与对照组和Hydrosorb组相比，OxyGel喷雾组的胶原纤维排列更密集且有序，表明胶原沉积增强。

图5 OxyGel 喷雾可加速大鼠糖尿病全层背部皮肤伤口愈合。 a) 体内背部皮肤伤口（直径 10 毫米）愈合研究的实验时间表，单次给药和评估超过 14 天。b) 不同治疗方法后背部伤口愈合过程的代表性照片。c) 从第 0 天到第 14 天的伤口闭合痕迹。d、e) 伤口面积（mm 2）和伤口闭合率的定量分析（n =6）。f) H&E 染色，g) 疤痕指数，和 h) 第 14 天背部伤口组织的表皮厚度（n =6）。比例尺，300 µm。i) 第 14 天背部伤口组织的 Masson 染色和胶原体积分数（n =6）。比例尺，300 µm

（5）OxyGel喷雾调节伤口愈合过程的炎症、增殖和重塑阶段，加速难治性糖尿病足溃疡伤口愈合

在全层背皮肤伤口愈合取得良好效果的基础上，进一步评估了OxyGel喷雾对糖尿病大鼠难治性糖尿病足溃疡（DFUs）的治疗效果。与背皮肤伤口相比，DFUs的治疗要求更高，因为足部是人体负重的主要部位，长期承受机械压力、频繁活动且血供较差。通过在糖尿病大鼠足背打孔建立直径6 mm的圆形全层切口DFU模型（图6a）。在治疗期间，OxyGel喷雾处理组的伤口愈合速度最快，第14天时伤口面积仅为原始面积的3.33%，且外观接近正常皮肤组织，无肥厚性或瘢痕疙瘩形成（图6b-e）。相比之下，Hydrosorb和Gel组的伤口闭合不完全，愈合率不理想。组织病理学评估（H&E染色和马松染色）显示，OxyGel组的DFU伤口愈合明显，瘢痕指数显著降低，表皮层薄，胶原纤维形成增强，愈合效果良好（图6f-j）。此外，OxyGel处理组的皮肤组织修复良好，伤口表面连续且完整，新生血管、毛囊和腺体密度高，表明DFU伤口愈合过程稳健且平衡。

图6 OxyGel 喷雾可加速大鼠糖尿病足部溃疡伤口愈合。a) 体内足部溃疡伤口（直径 6 毫米）愈合研究的实验时间表，单次给药和评估超过 14 天。b) 不同治疗方法后足部溃疡伤口愈合过程的代表性照片。c) 从第 0 天到第 14 天的伤口闭合痕迹。de) 伤口面积（mm 2）和伤口闭合率的定量分析（n = 6）。f) H&E 染色，g) 疤痕指数，和 h) 第 14 天足部溃疡伤口组织的表皮厚度（n = 6）。比例尺，300 µm。i) 第 14 天足部溃疡伤口组织的 Masson 染色和胶原体积分数（n = 6）。比例尺，300 µm

OxyGel在DFU伤口愈合的三个阶段中表现出良好效果。在炎症阶段期间，第7天DCFH-DA染色显示OxyGel显著清除ROS（图7a、b）；第14天iNOS/Arg-1染色表明OxyGel促进巨噬细胞从M1向M2极化（图7a、c、d）。在增殖阶段，第14天CD31和α-SMA共染色显示OxyGel促进新生血管形成（图7a、e）；Western blot显示OxyGel上调HIF-1α和VEGF蛋白水平；Ki67染色显示OxyGel促进细胞增殖（图7a、f）。最后在重塑阶段，第14天胶原蛋白染色显示OxyGel促进胶原蛋白I沉积，减少胶原蛋白III（图7a、g、h）。该团队还进行了安全性评估，14天内血液分析和主要器官H&E染色未发现OxyGel引起系统毒性或炎症反应。

图7 用不同水凝胶治疗的糖尿病足溃疡伤口组织的免疫荧光染色。 a) 伤口组织 DCFH-DA、iNOS/Arg-1、CD31/α-SMA、Ki67、Col I 和 Col III 免疫荧光染色的代表性图像。比例尺，300 µm。b) DCFH-DA、c) iNOS、d)Arg-1、e) CD31、f) Ki67、g) Col I 和 h) Col III 免疫荧光染色的定量统计数据（n = 6）

（6）OxyGel喷雾促进与加速糖尿病足溃疡伤口愈合相关的信号通路的丰富

对OxyGel喷雾组和对照组大鼠伤口组织进行RNA测序。主成分分析（PCA）显示样本具有高重复性和相关性（图8a）。与对照组相比，OxyGel喷雾组有690个基因上调，521个基因下调，表明OxyGel通过清除过量ROS和持续供氧在调节DFU伤口修复中起重要作用（图8b-d）。基因本体（GO）分析显示，与免疫反应、细胞增殖、迁移、血管生成、细胞外基质（ECM）组织和胶原代谢过程相关的通路显著富集（图8e），表明OxyGel喷雾具有抗炎、促增殖和胶原重塑活性，支持其在DFU治疗中的潜力。此外，GO分析还显示细胞因子活性、表皮生长因子受体结合和胶原结合等分子功能，以及细胞外基质和黏着斑等细胞组分的富集（图8f、g）。京都基因与基因组百科全书（KEGG）分析揭示了11条与OxyGel喷雾促进伤口愈合相关的信号通路，包括TNF信号通路、PPAR信号通路等（图8h）。基因集富集分析（GSEA）显示，炎症反应和ROS代谢过程下调，而表皮细胞分化、表皮发育、角化和皮肤发育上调（图8i-n）。总体而言，OxyGel喷雾促进了与DFU伤口愈合相关的信号通路的富集。

图8 糖尿病足溃疡伤口组织转录组分析。a）转录组数据的主成分分析（PCA）。b）显示上调（红色）和下调（蓝色）基因数量的直方图。c）差异表达基因的火山图。d）差异表达基因的热图。对OxyGel喷雾组差异表达基因的e）生物过程、f）分子功能和g）细胞成分进行基因本体论（GO）富集分析。h）OxyGel喷雾组差异表达基因的KEGG富集分析。对i）炎症反应的调节，j）活性氧代谢过程，k）表皮细胞分化，l）表皮发育，m）角化，和n）皮肤发育进行基因集富集分析（GSEA）