针对上述问题，武汉大学吕昂教授团队和武汉大学中南医院喻爱喜教授团队开发了一种能有效促进血管生成并检测伤口状态的水凝胶敷料，通过将羧甲基纤维素（CMC）与预配位钕-乙二胺四乙酸（Eu-EDTA）复合物交联，制备出具有增强血管生成和实时监测功能的自愈合水凝胶用于糖尿病伤口。得益于动态可逆的配位作用，该水凝胶展现出卓越的可注射性和自愈合特性，在微创操作下形成对不规则深部创面的高效覆盖。此外，水凝胶荧光强度随pH值在4.5-7.5范围内呈线性变化，可实现实时pH值监测以评估创面状态。更重要的是，该水凝胶能有效促进内皮细胞增殖迁移并增强管腔形成能力，展现出卓越的组织重塑血管生成能力。体内实验表明，该水凝胶通过上调血管生成相关因子表达并下调基质金属蛋白酶-9（MMP-9）表达，促进肉芽组织形成、胶原沉积及糖尿病创面修复。本研究为临床糖尿病创面诊断与治疗提供了具有前景的策略。该文章于2024年2月28日以《Self-Healing, Injectable Hydrogel Dressing for Monitoring and Therapy of Diabetic Wound》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202401209）。

图1 a）用于加速糖尿病伤口愈合的CMC-Eu-EDTA水凝胶制备示意图。b）CMC-Eu-EDTA水凝胶的制备过程。c）CMC-Eu-EDTA水凝胶的可注射性和自愈合特性

（1）CMC-Eu-EDTA水凝胶的制备与表征

引入Eu-EDTA后，CMC结晶度降低，29.6°处的峰强度增强，表明Eu-EDTA与羧基之间的配位作用（图2a-c）。此外，红外光谱显示，CMC-Eu-EDTA-3水凝胶在1730 cm⁻¹处出现新吸收峰，进一步确认了Eu³⁺与CMC羧基的配位作用（图2d）。Eu³⁺与CMC的C-O-H及C-O-C形成配位作用，水凝胶的自愈合性得到了增强。膨胀性能（图2f）显示，所有水凝胶膨胀率在372-741%之间，且随着Eu-EDTA含量增加，膨胀性下降。SEM图像（图2g）显示，水凝胶的孔径随着Eu-EDTA含量增加而减小，孔隙结构趋于致密。SEM-EDS分析（图2h）证明钕和氮元素的均匀分布。降解实验表明，添加Eu-EDTA后，水凝胶的降解速率减缓（图2i），表明配位作用增强了水凝胶的稳定性。

图2 a）CMC、Eu-EDTA及CMC-Eu-EDTA-3水凝胶的XPS宽扫描谱。b）Eu3d的XPS宽扫描谱。c）O1s的XPS宽扫描谱。d）CMC-Eu-EDTA水凝胶的FTIR谱。e）Zeta电位。f）CMC-Eu-EDTA水凝胶的膨胀特性。g）CMC-Eu-EDTA-3水凝胶的SEM图像。h）CMC-Eu-EDTA-3水凝胶的EDS元素分布图。i）CMC-Eu-EDTA水凝胶的降解特性

（2）CMC-Eu-EDTA水凝胶的流变特性

通过频率依赖性动态流变实验评估了CMC-Eu-EDTA水凝胶的力学性能。结果表明，在0.1-100 rad s⁻¹频率和0.5%应变条件下，所有水凝胶的G′值始终高于G′′值，且与频率无关（图3a），验证了其良好的弹性与稳定性。随着Eu-EDTA浓度增加，水凝胶的G′值也提高（图3b），表明配位作用增强了其力学性能。水凝胶表现出优异的注射性，随剪切速率增大，粘度迅速下降，且可通过细针头流畅注射，注射后迅速恢复固态（图3c、3d）。此外，通过幅值应变扫描实验确定临界应变值（图3e），各水凝胶在319%至1208%的应变下发生固液相变。水凝胶在经历大幅应变后仍能恢复其凝胶态，表明其优异的可恢复性和自愈能力（图3f）。自愈合实验表明，两块水凝胶在接触后可在10分钟内重新融合，且裂缝处不易断裂（图3h）。这些特性使CMC-Eu-EDTA水凝胶适用于微创治疗和糖尿病创面修复，能够在伤口处形成物理屏障并迅速恢复损伤区域的结构与功能。

图3 CMC-Eu-EDTA水凝胶的流变特性。a）水凝胶的频率扫描测量。B）37℃下CMC-Eu-EDTA水凝胶的G′值。c）水凝胶的剪切变稀特性。d）水凝胶的可注射性。e）水凝胶的应变扫描测量。f）CMC-Eu-EDTA-3水凝胶在1%至1300%交替阶跃应变下三周期循环的流变特性。g）CMC-Eu-EDTA水凝胶的自愈合能力

（3）CMC-Eu-EDTA水凝胶的伤口pH监测性能

pH值是伤口重建的重要参数，正常皮肤的pH值为4至6，糖尿病慢性伤口的pH通常升高至7。CMC-Eu-EDTA水凝胶的发射峰略微位移至594和615 nm（图4a，b），并呈现三个较弱的发射峰。随着Eu-EDTA浓度增加，发射峰强度先增加后减。水凝胶的发光时间在不同浓度下从0.30-0.34 ms不等，表明引入Eu³⁺可以延长水凝胶寿命，但当浓度过高时产生浓度淬灭效应。量子产率随着Eu³⁺浓度增加而先升后降，最高为4.53%。进一步研究显示，水凝胶的荧光强度与pH值呈正相关，尤其在pH值4.5至7.5之间，比值与pH值呈线性关系，有助于通过荧光检测伤口pH（图4c-e）。RGB数据分析表明，水凝胶的R值随pH值升高而增加，且在pH 4.5至7.5范围内，R值与pH值呈良好线性关系（图4f，g）。体内实验验证了水凝胶的pH响应特性，水凝胶能随着伤口状态变化显示不同荧光颜色，监测的pH值与精密pH试纸结果一致，进一步证明了其在伤口状态监测中的潜力（图4h）。

图4 a）CMC-Eu-EDTA-3水凝胶的激发光谱。b）CMC-Eu-EDTA水凝胶的发射光谱。c）CMC-Eu-EDTA-3水凝胶在不同pH值下的发射光谱。d）CMC-Eu-EDTA-3水凝胶在不同pH值培养后的对应图像。e）594nm与615nm峰发射强度比值对pH值的依赖关系。f）不同pH值下水凝胶的RGB色彩强度。g）R值与pH值的线性拟合曲线。h）不同时间点伤口pH值检测结果及小鼠伤口在0、1、2天时的视觉图像

（4）CMC-Eu-EDTA水凝胶生物相容性、细胞迁移与血管生成的评估

为了评估CMC-Eu-EDTA水凝胶的生物相容性，首先进行血液相容性实验。水凝胶组和PBS组上清液透明，而去离子水组上清液呈红色（图5a），溶血率均低于5%，显示出优异的血液相容性。随后，采用HUVECs进行体外细胞相容性测试，结果表明，72 h后，水凝胶组细胞活力显著高于对照组（图5b），其中CMC-Eu-EDTA-3水凝胶活力达到352.5%。细胞迁移实验（图5d、5c）显示，CMC-Eu-EDTA-3水凝胶组在12 h和36 h后的划痕愈合最为显著，残留面积最低。此外，水凝胶组在内皮细胞管状形成实验中，表现出较强的管状网络结构（图5e、5f-h），而CMC-Eu-EDTA-1管形成能力最强。结果表明，Eu³⁺能促进管状形成和血管生成，可能通过增加ROS生成，激活PI3K/Akt信号通路，促进内皮细胞增殖和迁移。总的来说，CMC-Eu-EDTA水凝胶在血液相容性、细胞相容性、细胞迁移和血管生成方面均表现出优异性能。

图5 a）CMC-Eu-EDTA水凝胶的溶血率及代表性图像。b）人脐静脉内皮细胞（HUVECs）与CMC-Eu-EDTA样本共培养的细胞增殖情况。c）细胞划痕实验的定量相对面积数据。d）HUVECs与CMC-Eu-EDTA样本共培养后的迁移代表性图像。e-h）水凝胶的体外血管生成评估。e）HUVECs与CMC-Eu-EDTA样品共培养3小时后管状结构形成数字图像。f）细胞连接点数量定量分析，g）网状结构数量分析，h）连接总长度分析

（5）CMC-Eu-EDTA水凝胶对糖尿病创伤的体内愈合效果

CMC-Eu-EDTA-3水凝胶凭借其优越的注射性、自愈合性、pH响应性、生物相容性及血管生成特性，在糖尿病创面修复中展现了显著的效果（图6a）。体内实验表明，CMC-Eu-EDTA-3组伤口愈合速度明显快于对照组和其他处理组，尤其在第7天时，CMC-Eu-EDTA-3组伤口收缩率为83.4%，远高于对照组及其他组（图6b和6c）。第14天时，CMC-Eu-EDTA-3组血痂完全脱落，创面基本愈合，而对照组仍有18.2%的创面未愈合（图6b）。此外，CMC-Eu-EDTA-3组的组织结构较为规整，皮肤附属器较丰富，肉芽组织厚度为726.0μm（图6e）。Masson染色结果表明，CMC-Eu-EDTA-3组的胶原沉积更加规律，与对照组和3m组相比，其胶原沉积显著更强（图6f和6g）。这些结果表明，CMC-Eu-EDTA-3水凝胶能显著促进肉芽组织形成和胶原沉积，从而加速创面愈合和组织再生，效果优于传统商业敷料。

图6 a）探究CMC-Eu-EDTA水凝胶治疗效果的动物实验时间线示意图。b）14天愈合过程中不同处理方案的伤口代表性图像。c）特定日期的伤口闭合量化数据。d）再生皮肤组织的HE染色结果。e）肉芽组织厚度定量分析。f）再生皮肤组织Masson染色图像。g）胶原沉积定量分析

（6）CMC-Eu-EDTA水凝胶对糖尿病创伤愈合的机制

分析了CMC-Eu-EDTA水凝胶在糖尿病创面修复中的效果，特别是其对MMP-9、血管生成和生物安全性的影响。结果表明，CMC-Eu-EDTA-3水凝胶显著降低了MMP-9的表达，尤其在第7天时，表现出较对照组更低的MMP-9水平（图7a、b）。CD31和β-SMA的表达分析显示，第7天CMC-Eu-EDTA-3水凝胶组的血管生成能力显著高于其他组，CD31表达为33.4%，β-SMA表达为12.0%（图7c、d）。此外，HIF-1α和VEGF的表达水平也在CMC-Eu-EDTA-3组中最高（图7e、f）。蛋白质印迹法的结果进一步证实了CMC-Eu-EDTA-3水凝胶能够上调血管生成相关蛋白并下调MMP-9蛋白（图7g、h）。综上，CMC-Eu-EDTA-3水凝胶通过促进血管新生和抑制MMP-9表达，显著加速了糖尿病创面的修复，并展现出良好的生物安全性，具有广阔的应用前景。

图7 a）糖尿病伤口经不同治疗后第7天的免疫荧光染色图像。b–f）MMP-9（b）、CD31（c）、β-SMA（d）、VEGF（e）和HIF-1α（f）表达的相对定量分析。g）不同组别伤口组织中MMP-9、CD31、β-SMA、HIF-1α及VEGF表达的Western blot分析（第7天）。h）Western blot检测的MMP-9、CD31、β-SMA、HIF-1α及VEGF表达定量结果