针对上述问题，西交大郭保林、赵鑫团队研究开发了一种具有声电效应的压电双网络坚韧水凝胶，通过掺入金纳米颗粒修饰的钛酸钡（BTO@Au）以及热响应性双网络结构，实现了按需热收缩和声电效应，从而能够促进感染关节皮肤伤口的愈合。这种水凝胶具备温度敏感软化、按需热收缩性能、高机械强度、良好组织粘附性、出色压电性、可调声电行为、可控光热性能以及良好生物相容性等诸多优点。通过调控声电效应，水凝胶在短期内可以消除伤口细菌，在长期内则能促进人成纤维细胞的增殖和迁移。在小鼠模型中，该水凝胶敷料通过促进成纤维细胞迁移、增强胶原沉积和促进血管生成，有效促进了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染皮肤缺损的愈合，为慢性关节皮肤伤口敷料的设计提供了新的策略。该文章于2025年3月31日以《Piezoelectric dual-network tough hydrogel with on-demand thermal contraction and sonopiezoelectric effect for promoting infected-joint-skin-wound healing via FAK and AKT signaling pathways》为题发表于《National Science Review》（DOI: 10.1093/nsr/nwaf118）。

（1）水凝胶的合成与表征

该研究以明胶衍生物和 PNIPAM 为基础，设计并制备了双网络水凝胶敷料，用于促进慢性感染伤口愈合。如图 1A，水凝胶由 UPy 修饰的 GU 形成第一网络，NIPAM 和 GMA 形成第二网络，且加入载金纳米颗粒的 BTO 纳米立方体（BTO@Au）。水凝胶在光热作用下可主动收缩，收缩力源于 PNIPAM 聚合物链。如图 1B，GMA 作为大分子交联剂，与 NIPAM 共聚并与第一网络相互作用，增强水凝胶机械强度。金纳米颗粒与 BTO 形成肖特基结，赋予水凝胶压电性能。如图 1C，通过高强度超声（1.5 W/cm²）触发压电效应，产生 ROS，有效解决皮肤伤口早期耐药细菌感染问题。

图1 水凝胶制备、热响应收缩机制及慢性感染伤口应用示意图。（a）UNMx和UNMx/BAy水凝胶制备，U、N、M、BA分别代表GU、NIPAM、GMA、BTO@Au，x、y为GMA和BTO@Au浓度（mg/mL）；（b）水凝胶热响应收缩原理，加热增强收缩效率，冷却固定收缩；（c）水凝胶治疗慢性感染伤口机制

（2）UNMX水凝胶的流变性能、拉伸强度和粘合强度

实验发现，GMA含量提升使UNMx水凝胶敷料储能模量和力学强度增加。角频率10rad/s时，UNM0储能模量约983Pa，GMA含量增至5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL时，UNM5、UNM10、UNM20储能模量分别增至1354Pa、2124Pa、4179Pa（图2A）。拉伸测试显示，GMA含量增加使UNMx水凝胶敷料韧性提高，UNM0、UNM5、UNM10、UNM20韧性值分别为2.33kJ/M³、2.85kJ/M³、4.16kJ/M³、3.51kJ/M³，UNM10韧性最高（图2B）。猪皮搭接剪切测试中，UNM10/BA1组织粘附强度达9.59kPa，高于UNM10的8.22kPa（图2C），GMA含量从0增至5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL时，UNM0、UNM5、UNM10、UNM20组织粘附强度从3.39kPa增至6.06kPa、8.22kPa、10.27kPa。为优化水凝胶敷料主动热响应收缩性能，设计利用GU中氢键在加热时提高收缩效率、冷却时固定收缩的机制，变温流变学测试验证（图2D）。室温下，水凝胶敷料储能模量随GMA含量增加而增加，含GMA的UNM5、UNM10、UNM20储能模量随温度升高降低，因GU中氢键断裂提高收缩效率；温度回到小鼠皮肤温度时，PNIPAM分子链保持塌陷状态，GU中氢键重新形成增加储能模量，固定收缩状态，提高热响应收缩效率；不含GMA的UNM0在32℃时储能模量急剧增加，40℃后缓慢降低，含GMA的UNM5、UNM10、UNM20因GMA交联影响收缩受限，对储能模量影响不大，高于40℃时，GU中氢键断裂成影响储能模量主要因素，储能模量随温度升高缓慢降低。综合考虑流变学性能、拉伸强度和组织粘附强度，选择UNM10进行后续研究。

(3) UNMX/BAy水凝胶的机械、导电和生物相容性

添加BTO@Au形成UNMX/BAy水凝胶敷料，显著影响其机械性能（图2E）。BTO@Au含量从0 mg/mL增至0.5 mg/mL、1 mg/mL、2 mg/mL时，UNM10、UNM10/BA0.5、UNM10/BA1、UNM10/BA2在60%应变下单轴压缩应力分别增至0.014 MPa、0.027 MPa、0.043 MPa、0.116 MPa，压缩断裂应变从95%降至82%、75%、67%，因BTO@Au限制聚合物链运动，增强强度并增脆性。拉伸试验中，BTO@Au含量增加时，UNM10、UNM10/BA0.5、UNM10/BA1、UNM10/BA2在50%应变下拉伸强度分别从4.24 kPa增至7.63 kPa、10.95 kPa、16.27 kPa（图2F）。电导率测试显示，BTO@Au含量对电导率影响显著（图2G）。不含BTO@Au的UNM10电导率为9.35×10⁻² S/m，BTO@Au浓度从0.5 mg/mL增至1 mg/mL、2 mg/mL时，电导率分别增至1.09×10⁻² S/m、1.27×10⁻² S/m、1.53×10⁻² S/m，表明可通过调整BTO@Au含量制备电导率可调的水凝胶。

(4) UNMX/BAY水凝胶的光热温敏性能

BTO@Au的掺入使UNMX/BAy水凝胶敷料具有优异的近红外（NIR）光热特性。图2H显示，在1.4 W/cm²的固定功率密度下，NIR照射600秒后，随BTO@Au含量增加，UNM10/BA0.5、UNM10/BA1、UNM10/BA2的温度增加值从2.8℃增至8.3℃、11.6℃，不含BTO@Au的UNM10温度变化不显著，表明光热性质源于BTO@Au。光热曲线在260-300秒间存在拐点，温度上升速率增加（图2I），归因于水凝胶温敏收缩，增加了单位体积的BTO@Au含量，提高光热转换效率。研究温度响应收缩时，将水凝胶敷料浸入去离子水中并加热。图2J显示，37℃下培育30分钟，随BTO@Au浓度从0增至0.5 mg/mL、1 mg/mL、2 mg/mL，表面收缩应变从67.09%降至62.57%、57.43%、51.67%。图2K显示，37℃下培育3分钟，随BTO@Au浓度增加，表面收缩应变从76.68%降至70.18%、65.21%、61.88%，总体趋势是BTO@Au含量增加，温敏收缩减弱，但所有样品收缩应变均高于仅在37℃下培育的样品。SEM结果表明，复合材料热响应收缩性能优于普通热收缩材料。图2L和M显示，BTO@Au浓度为1 mg/mL时，37℃下培育30分钟后，UNM10/BA1内孔径从室温下的57.0μm降至21.0μm，证实其热响应收缩特性。超声加热不影响水凝胶热收缩特性，如第5天相似的伤口收缩率所示（图4A和C）。体外和体内实验表明，水凝胶在超声刺激下保持优异的抗菌性能并调节细胞行为，超声产生的热量不影响水凝胶在伤口愈合中的多功能性。

图2 UNMx/BAy水凝胶的表征与性能。（a）UNMx水凝胶不同频率下的流变性质；（b）UNMx水凝胶拉伸应力 - 应变曲线；（c）UNMx/BAy水凝胶在猪皮上的组织粘附强度；（d）UNMx水凝胶不同温度下的流变性质；（e）UNMx/BAy水凝胶单轴压缩应力 - 应变曲线；（f）UNMx/BAy水凝胶拉伸应力 - 应变曲线；（g）UNMx/BAy水凝胶电导率；（h）1.4 W/cm²近红外激光照射下温升 - 时间曲线；（i）不同功率近红外激光照射下UNM10/BA1温升 - 时间曲线；（j）37℃热收缩时水凝胶表面应变；（k）45℃热收缩时水凝胶表面应变；（l）不同温度下UNM10/BA1孔径；（m）不同温度下UNM10/BA1的代表性SEM图像

（5）BTO@Au的声压电效应及UNMX/BAy水凝胶的体外抗菌性能

如图3 A和B，BTO@Au浓度增加，水凝胶敷料声压电抗菌率上升。UNM 10/BA 1和UNM 10/BA 2对MRSA和MDR E抗菌力超99.9%。

（6）声压电效应介导的UNMX/BAy对HFB细胞和巨噬细胞行为的影响

添加UNM 10/BA 1水凝胶敷料时，0.3 W/cm²和0.5 W/cm²功率密度超声可促进细胞增殖，细胞活力分别达126%和135%（图3C）。划痕试验表明，在与UNM 10/BA 1水凝胶共培养下，0.3 W/cm²和0.5 W/cm²功率密度超声具有较好的细胞迁移效果（图3E）。定量分析显示，0.5 W/cm²超声处理使伤口闭合率达88%，显著高于其他组（图3D）。这表明UNM 10/BA 1水凝胶在0.5 W/cm²超声功率密度下对细胞增殖和迁移的促进作用最明显。在无超声处理时，UNM 10/BA 1抑制巨噬细胞向M1表型分化，促进向M2表型分化，可能与其压电效应的优异导电性有关（图3F和G）。

图3 UNMx/BAy的声电效应调节作用。（a、b）分别为水凝胶对MRSA和MDR E.coli的杀菌率，经1.5 W/cm²超声处理；（c）为外源超声介导UNMx/BAy处理下的细胞活性；（d、e）为不同功率密度超声介导水凝胶处理后24小时的伤口闭合比率及细胞划痕代表性图像；（f、g）为不同处理条件下M1型和M2型巨噬细胞的代表性图像及相对表达水平

（7）UNMX/BAy通过声压电效应促进MRSA感染小鼠颈部伤口愈合

研究了小鼠伤口闭合情况。如图4A，用组织活检打孔器在小鼠颈部制造直径8mm圆形全层皮肤缺损后进行各种处理。总体上，UNM10组较空白组有治疗效果，可能源于水凝胶敷料的密封性能及明胶组分促进细胞粘附和增殖。其他四治疗组中，UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US组伤口愈合效果显著更强。如图4C，第5、10、15天进行伤口愈合率定量分析。第5天，UNM10/BA1组伤口愈合率（65%）显著高于UNM10组（53%），可能因BTO@Au使水凝胶敷料导电性提高，利于生物信号传递，促进细胞迁移。第5天收集伤口部位细菌计数，评估水凝胶敷料抗菌效果。如图4D和S14，未经超声处理的UNM10和UNM10/BA1抗菌特性不显著，MRSA杀灭率仅1.66%。超声处理的UNM10/BA1+US组MRSA杀伤率超92%，表明声压电效应可通过产生高水平ROS提供优异抗菌效果。H&E染色和Masson三色染色进一步评价伤口愈合。如图4B中H&E染色图像，第5天各组均未形成完整上皮组织，伤口愈合处于炎性阶段，但UNM10/BA1+US、UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US组炎症浸润少，炎性细胞显著较少。第15天，空白组和UNM10组胶原密度显著低于其他治疗组。进一步定量分析（图4E）显示，UNM10/BA1+US+NIR+C-US组相对胶原密度（238%）显著高于其他组，对胶原沉积促进最佳。第15天，空白组和UNM10组未完成上皮再形成，UNM10/BA1+US、UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US组形成完整光滑上皮组织，特别是UNM10/BA1+US+NIR+C-US组，发育相对成熟毛囊，表明新形成皮肤组织功能化更好。数据显示，低功率超声通过两种协同机制促进毛囊再生：BTO@Au产生的压电场激活PI3K/AKT途径（图6D）；收缩水凝胶产生的机械刺激增强机械转导途径，如整合素-FAK（图6D）。

图4. 大鼠颈部全层皮肤伤口的治疗效果。（a）治疗初期及第5、10、15天伤口的代表性图像；（b）第5、10、15天伤口的H&E染色图像及第15天的Masson三色染色图像；（c）第5、10、15天伤口闭合比率；（d）第5天体内抗菌比率；（e）第15天伤口处胶原密度

（8）不同治疗组创面愈合过程中ROS、TNF-α和VEGF的体内表达水平及血流灌注统计

通过体内ROS染色评估水凝胶敷料对伤口炎症的调节。如图5A，第5天用DHE探针评估伤口组织ROS水平，渐进式治疗策略使体内ROS水平降低，UNM10/BA1+US、UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US组红色荧光显著减弱，表明ROS水平显著降低，图5B定量分析也反映此趋势。第5天（图5A和C）和第10天通过免疫荧光分析TNF-α表达，第5天以空白组为对照，UNM10和UNM10/BA1组TNF-α相对表达水平均超75%，UNM10/BA1+US+NIR+C-US组TNF-α降低超90%，表明急性炎症快速抑制。通过VEGF免疫荧光染色评价血管生成能力，如图5A和D，与空白组100%和UNM10组115%相比，UNM10/BA1组VEGF相对表达增至190%，与压电特性有关，微电场刺激调节生物信号传输，UNM10/BA1+US和UNM10/BA1+US+NIR组VEGF表达水平分别增至256%和268%，UNM10/BA1+US+NIR+C-US组VEGF表达达375%。如图5E，激光散斑流成像系统计算的血液灌注值，UNM10/BA1+US、UNM10/BA1+US+NIR和UNM10/BA1+US+NIR+C-US组分别为1223PU、1331PU和1640PU，显著高于空白组的638PU。

图5. 伤口愈合过程中的关键指标检测。（a）第5天体内ROS染色、TNF-α免疫荧光染色及激光多普勒成像代表性图像，第15天VEGF免疫荧光染色图像；（b）第5天体内相对ROS含量；（c）第5天相对TNF-α表达水平；（d）第15天相对VEGF表达水平；（e）第5天伤口区域平均血流灌注值

（9）UNMX/BAy通过声压电效应促进MRSA感染小鼠颈部伤口愈合的机制研究

RNA测序分析揭示了UNM10/BA1水凝胶在超声作用下促进伤口愈合的机制。治疗后第10天收集伤口组织样本进行RNA测序，以使用Tegaderm敷料的颈部伤口为对照。主成分分析（PCA）显示对照组与UNM10/BA1+US+NIR+C-US处理组之间的转录组存在显著差异（图6A）。火山图表明，共鉴定出2535个差异表达基因（DEGs），其中1250个上调，1285个下调（图6B）。热图分析显示了对照组和UNM10/BA1+US+NIR+C-US处理组伤口组织中差异基因的聚类情况（图6C），水凝胶治疗组显著上调了与血管生成和伤口愈合相关的基因，包括Hif1α、Egf、Vegfd、Hgf和Spp1（图6C）。KEGG通路分析显示，UNM10/BA1+US+NIR+C-US处理组促进了与心肌收缩、PI3K-Akt、焦点粘附、HIF-1和MAPK信号通路相关的基因富集（图6D）。基因本体（GO）分析显示，1259个上调基因集中在组织发育、表皮发育和上皮细胞分化的正向调控（图6E）。Western blot分析测试了收缩水凝胶释放的纳米颗粒的声电效应是否通过激活FAK和AKT信号通路促进慢性伤口愈合，从经对照、UNM10+US和UNM10/BA1+US处理的HFB细胞中提取蛋白，分析p-FAK、PI3K、p-PI3K、AKT和p-AKT蛋白的表达水平（图6F和G），结果显示，仅当水凝胶含有纳米颗粒时，超声处理显著增加了细胞中p-FAK和p-AKT的表达（图6F），而UNM10+US处理组的p-FAK和p-PI3K表达与对照组相比无统计学意义。

图6. 声电效应介导的水凝胶治疗慢性感染伤口的RNA测序分析。（a）对照组与UNM10/BA1+US+NIR+C-US处理组间的转录组主成分分析（PCA）；（b）火山图显示上调和下调基因；（c）热图展示UNM10/BA1+US+NIR+C-US处理后差异表达基因的聚类分析；（d和e）KEGG和GO富集分析显示上调基因的富集通路；（f）对照组、UNM10+US和UNM10/BA1+US处理组中HFB细胞的p-FAK和PI3K/AKT信号通路蛋白表达；（g）蛋白表达水平的定量分析