针对上述问题，北京化工大学材料学院徐福建教授/李杨副教授团队设计了一种名为AP/SA的双交联水凝胶系统，通过整合苯基硼酸键的葡萄糖响应特性与钙离子介导的海藻酸钠螯合作用，协同提升水凝胶的机械稳定性与葡萄糖特异性释放能力。该体系以苯基硼酸修饰的氨基明胶（AP）与海藻酸钠（SA）为基材，在高血糖环境下触发胰岛素精确释放，同时钙离子交联有效遏制水环境引起的过早降解。将其应用于糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型后，水凝胶可动态响应伤口局部高血糖，持续释放适宜剂量胰岛素以降低糖浓度，同时显著促进细胞增殖与血管生成，最终实现糖尿病伤口的有效愈合。该文章于2025年9月13日以《Glucose-responsive hydrogel with adaptive insulin release to modulate hyperglycemic microenvironment and promote wound healing》为题发表于《Biomaterials》（DOI:10.1016/j.biomaterials.2025.123641）。

研究示意图

（1）AP/SA凝胶的制备与表征

乙二胺修饰使明胶氨基含量加倍，将PBA接枝率从21.5%提升至83.5%，修饰产物AP经FTIR（1480、1341、1290、1080 cm⁻¹特征峰）与¹H NMR（7.8 ppm芳香质子信号）验证成功接枝（图1B、C、S1、S2、S3），并可与SA形成稳定凝胶（图1A）。单交联AP+SA水凝胶因苯硼酸键水解于12小时内降解失效（图S4），故引入Ca²⁺构建双交联网络。流变学优化确定15% AP与8% SA配比及0.5 mg/mL Ca²⁺浓度为最佳条件，此时G′约1000 Pa，既能避免降解过快，又可防止因过度交联而丧失葡萄糖响应性（图1D、S5、S6）；双交联AP/SA凝胶G′增至2270 Pa，凝胶-溶胶转变点为250%，网络完整性显著增强（图1E、S7）。SEM显示水凝胶孔隙均匀且孔径因Ca²⁺交联而减小，EDS证实Ca²⁺均匀分布（图1F、S8），该结构通过海藻酸钠羧基螯合Ca²⁺限制了苯硼酸键水解，实现了高血糖环境下持续局部胰岛素递送。

图1 水凝胶的制备与表征。A）GP和AP溶液与海藻酸钠溶液混合。 B）氨基强化前后明胶的氨基含量。C）凝胶傅里叶变换红外光谱。D）AP + SA 凝胶应变幅度扫描。E）AP/SA凝胶应变幅度扫描。F）水凝胶的SEM照片。G）PBS中AP/SA凝胶及不同葡萄糖浓度溶液的照片。H）水凝胶在不同环境中浸泡12小时后的应变幅度扫描。I）水凝胶SEM图像。G）不同环境下体外释放水凝胶。K）不同环境中水凝胶的膨胀降解曲线。L）水凝胶自愈过程的照片及展示注射可行性的照片。M）水凝胶的循环应变。

如图1G所示，载罗丹明B的水凝胶在不同葡萄糖溶液中呈现浓度依赖性降解：24小时后，100 mg/dL组仅轻微塌陷，而400 mg/dL组与水溶液界面完全消失，证实大部分已溶解。图1H显示水凝胶浸泡12小时后储能模量从PBS组的660 Pa降至400 mg/dL组的62 Pa，表明葡萄糖诱导网络软化。SEM成像（图1I）显示高血糖组孔径由10 μm增至25 μm，而正常血糖组仅增至15 μm，孔膨胀差异直接促进胰岛素释放。胰岛素释放曲线（图1J及图S9）显示24小时内400 mg/dL组释放率达76%，显著高于PBS组的36%与100 mg/dL组的51%，证实精确的血糖阈值响应性。降解实验（图1K）进一步验证该特性：PBS与100 mg/dL组24小时质量保留率>50%，而400 mg/dL组完全溶解。上述结果表明，钙离子螯合增强了水凝胶结构，在模拟正常血糖环境下削弱了水分子对苯硼酸键的解离作用，从而维持结构完整性，而在高血糖环境下则快速响应并加速药物释放。此外，该水凝胶具备快速自愈与可注射特性（图1L），循环应变测试（2%–500%）证实其经四个周期后G′与G″均可快速恢复（图1M），能有效覆盖伤口。

（2）体外生物学表征 AP/SA 凝胶

体外实验首先验证载胰岛素AP/SA凝胶的生物安全性。溶血率低于5%（图2E），且材料本身无显著细胞毒性，L929细胞活/死染色显示各组细胞形态良好（图2A）。增殖实验表明胰岛素对L929细胞具有浓度依赖性促增殖效应（图2D），CCK-8检测显示25 μg/mL组效果最佳，培养第3天时L929和HUVEC细胞增殖分别达空白对照组的1.4倍和1.6倍（图2F、G）。进一步比较G/10 Ins（10 μg/mL）、G/25 Ins（25 μg/mL）与G/50 Ins（50 μg/mL）三组，活细胞计数显示G/25 Ins组第3天增殖最显著，为对照组的2.1倍，优于G/10 Ins组的1.5倍与G/50 Ins组的1.8倍（图2B），证实过高或过低浓度均会减弱效应，25 μg/mL为胰岛素最佳负载量。

图2 AP/SA凝胶的生物安全性及其促进细胞增殖的能力。A）L929细胞活死染色荧光图像。B）荧光图像中细胞计数统计（第1天）。C）第3天荧光图像中的细胞计数统计。D）AP/SA凝胶的细胞毒性。E）AP/SA凝胶溶血实验。F）L929细胞增殖的CCK-8统计数据。G） HUVEC细胞增殖的CCK-8统计量。

图3 AP/SA凝胶促进细胞迁移和血管生成。A）L929细胞迁移图像。B）不同组L929细胞迁移率统计。C）HUVEC细胞迁移图像。D）不同组别中HUVEC细胞迁移率统计。E） HUVEC管状实验图像。F）HUVEC管状实验中分支数量的统计分析。G）HUVEC小管实验周长的统计分析。划痕实验显示G/25 Ins组在L929细胞中12小时闭合率达60%、24小时达68%，显著高于G/10 Ins组的28%和54%及G/50 Ins组的40%和55%（图3A、B）；HUVEC细胞中G/25 Ins组12小时与24小时闭合率分别为66%和87%，亦优于G/10 Ins组的50%和67%及G/50 Ins组的59%和75%（图3C、D）。血管生成实验（图3E）中，G/25 Ins组的分支数量与管长均显著高于其他各组（图3F、G）。结果表明胰岛素对细胞增殖、迁移及血管生成的促进作用具有浓度依赖性，G/25 Ins为最优负载浓度。

（3）AP/SA凝胶促进糖尿病小鼠的皮肤伤口愈合

构建糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型并分为七组（Blank、Alg™、25 Ins、Gel、G/10 Ins、G/25 Ins、G/50 Ins）（图4A）。血糖监测显示，25 Ins组2小时内降至6.2 mmol/L但4小时后迅速反弹，而载胰岛素水凝胶组虽初始下降较慢，24小时内未恢复至基线水平且两天后仍维持较低血糖（图S10、S11）。伤口组织葡萄糖检测表明，水凝胶组浓度均降至4 mg/dL以下，显著低于25 Ins组（图S10）。伤口愈合评估显示G/25 Ins组效果最优：第7天伤口面积21.85%，第14天降至2.50%，均显著优于其他各组（图4B、C）。ROS水平检测显示G/25 Ins组荧光强度最弱，约为Blank组的一半（图S13）。巨噬细胞表型分析证实水凝胶促进M2型极化从而降低炎症（图S14）。组织病理学评估（图4D、S15）显示第7天G/25 Ins组肉芽组织形成最显著、胶原沉积最强，第14天新上皮更接近成熟表皮；定量分析（图4E–H、S16）表明该组肉芽组织厚度最大、伤口长度最短、胶原沉积率最高且新表皮厚度最接近正常，证实G/25 Ins配方通过增强肉芽形成与胶原沉积为糖尿病伤口修复提供最佳治疗效果。

图4 氢凝胶促进糖尿病全层皮肤缺陷愈合的实验。A）糖尿病伤口愈合实验手术设计的时间轴。B）0、4、7、10和14天伤口残留面积随时间变化的代表性图像。C）第2、4、7、10和14天剩余伤口面积统计。D）第14天对伤口组织切片进行H&E染色和马森三色染色，红色箭头指向新生血管形成，黄色箭头表示肉芽组织厚度。E）第7天和第14天肉芽组织厚度统计。F）第7天伤口长度统计。G）第7天和第14天胶原蛋白沉积的统计分析。H）第14天新表皮厚度分析。

（4）伤口组织的免疫荧光染色

第7天PCNA免疫荧光染色（图5A、C）显示G/25 Ins组荧光面积达748.20%，显著高于Blank组（100%）及其他组（Alg™组107.86%、25 Ins组93.53%、Gel组192.73%、G/10 Ins组350.78%、G/50 Ins组289.07%），表明持续释放胰岛素显著激活细胞增殖；第14天各组间无显著差异，提示均进入重塑阶段。WB实验（图S17）证实水凝胶处理后PCNA、HIF-α和VEGF蛋白表达较Blank组显著提升。CD31/α-SMA双染（图5B–E）显示G/25 Ins组新生毛细血管（CD31）和成熟血管（CD31&α-SMA+）数量最高。VEGF免疫组化（图S18）显示Ins组与G/25 Ins组表达显著高于Blank组与Gel组。综上，载胰岛素AP/SA凝胶通过持续释放胰岛素调节葡萄糖稳态并协调激活细胞增殖与血管生成通路，在伤口部位产生有利的再生微环境，有效促进糖尿病伤口愈合。

图5 糖尿病创面实验中伤口组织荧光染色切片。A、B) 第7天和第14天伤口组织的PCNA（红色荧光）及CD31（红色荧光）/α-SMA（绿色荧光）。C) 第7天和第14天PCNA荧光面积相对值的统计分析。D) 第7天和第14天新生血管统计。E) 第7天和第14天成熟血管统计。