IF：19.9《AFM》中科院兰州化物所马延飞：用于伤口愈合和缓解症状的程序化多功能水凝胶敷料
专栏：学术前沿
发布日期：2026-08-31
研究背景：
创面愈合是高度时序化的动态生理过程，不同阶段对黏附、镇痛、抗炎、抗菌的需求存在显著差异。传统多功能水凝胶敷料仅简单叠加多种功能，缺乏时序化激活与精准控释，易导致药物暴释、镇痛时效错位、炎症控制不足，加剧患者疼痛并延缓愈合。大部分水凝胶难以在渗血渗液创面实现快速稳定湿面黏附，疏水性抗炎抗菌成分易团聚沉淀，无法实现长效平稳释放。如何构建时序响应、快速湿黏附、即时镇痛、长效抗炎抗菌的一体化智能敷料，同步提升愈合效率与患者舒适度，仍是创面修复领域的关键挑战。
针对上述问题，中科院兰州物化所马延飞、李斌团队联合同济大学张芝芝团队设计了一种程序化功能型水凝胶敷料（Tmf-水凝胶）。基于贻贝仿生化学，以甲基丙烯酰化明胶（GelMA）为基底，引入多巴胺甲基丙烯酰胺（DMA）实现在10秒内形成快速湿粘附并稳定维持10天。以累积释放1%作为各组分功能启动节点：包载的利多卡因于1分钟起效，提供持续至120小时的即时镇痛；脂质体化木香烃内酯（Cstl）则于8分钟启动，实现长达10天的持续释放，发挥协同抗菌与抗炎作用。上述三个功能模块的协同效应有效提升了患者舒适度，促进了高效、高质量的伤口愈合。在小鼠皮肤缺损模型中，Tmf-水凝胶显著降低疼痛评分、缩短愈合时间，通过缓解炎症与疼痛、促进细胞迁移加速组织修复。该多功能水凝胶在提升伤口治疗临床效果方面展现出广阔的应用前景。该文章于2026年5月23日以《Temporally Programmed Multifunctional Hydrogel Dressings for Optimized Wound Healing and Symptom Relief》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.76049）。
图1. Tmf-Hydrogel制备示意图及其在创面愈合中的湿粘附、抗炎、抗菌和镇痛时序功能。a) 非程序化功能整合时间线，包括湿粘附、抗菌、抗炎和抗氧化。b) 时间依赖按需功能时间线，包括湿粘附、镇痛、抗炎和抗菌。c) 合成Cstl@Lipo的原材料、Tmf-Hydrogel各组分、365 nm紫外光辐照形成的三维网络结构及小鼠伤口应用过程。d) 仿生贻贝湿粘附机制。e) 利多卡因释放缓解疼痛。f) 抗菌抗炎性能（促进M0巨噬细胞向M2转化、抑制促炎因子、促进HUVEC、杀灭细菌）。g) 水凝胶与创面界面的湿粘附示意图，DMA的酚基与基质相互作用。h) 伤口治疗与i) 愈合示意图。
（1）Tmf-Hydrogel的制备与表征
Tmf-Hydrogel以GelMA为基质组分、DMA为粘附组分，通过紫外诱导自由基聚合制备。GelMA经甲基丙烯酸酐功能化（接枝率50%），扫描电镜确认其形成适合药物释放的三维多孔结构。DMA赋予水凝胶仿生贻贝湿粘附特性，即使在流动水冲洗下仍能牢固粘附于猪皮表面。红外光谱证实LID成功载入水凝胶体系，酰胺N─H键及氢键导致~3386.51 cm⁻¹处振动峰增强，~1630–1650 cm⁻¹和~1530–1550 cm⁻¹处酰胺特征峰显著增强。LID释放曲线显示，累积释放1%的时间约为1 min，24 h内快速释放大部分药物，实现早期迅速镇痛。采用薄膜水合法制备Cstl@Lipo，以卵磷脂和胆固醇为基本组分，mPEG-DSPE修饰赋予长循环稳定性，Cstl包封率为67.47±1.53%。透射电镜显示Cstl@Lipo呈球形囊泡结构，动态光散射测得水合粒径约150 nm，Zeta电位约-10 mV。Cstl@Lipo在10天内保持稳定。水凝胶-脂质体复合体系中，Cstl累积释放1%的时间为8 min，可持续释放至少7天。抗菌实验表明，含Cstl的实验组对金黄色葡萄球菌表现出显著抗菌活性。
图2. 时间依赖按需功能。a) 三维形态及内部组分示意图。b) Tmf-Hydrogel的SEM表征，显示多孔结构。比例尺，5 μm。c) 流水冲洗条件下的粘附性能。比例尺，1 cm。d) 红外光谱证实水凝胶包载LID。e) 水凝胶中LID的累积释放曲线。f) 透射电镜表征Cstl包载脂质体形态。比例尺，100 nm。g) 空白脂质体与Cstl@Lipo的紫外光谱。h) Cstl的缓释曲线。j) 水凝胶抗菌性能平板照片。比例尺，1 cm。组i：对照；ii：GelMA+DMA+Lipo；iii：GelMA+DMA+Cstl@Lipo；iv：GelMA+DMA+LID+Lipo；v：GelMA+DMA+LID+Cstl@Lipo。k) 细菌激光共聚焦活/死染色。比例尺，50 μm。l) 抗菌率统计。
（2）Tmf-Hydrogel的力学与粘附性能
伤口敷料需具备一定拉伸和压缩性能以适应运动引起的创面动态变化。拉伸测试显示，P(GelMA)水凝胶断裂应变约60%，P(GelMA-co-DMA)约100%，而Tmf-Hydrogel可达约150%。拉伸弹性模量分别约为40、75和85 kPa，压缩测试结果趋势一致。含脂质体纳米颗粒的水凝胶具有更高的断裂强度和压缩模量，这与脂质体使孔分布更均匀、孔径更小、结构密度更高有关。流变学分析表明，Tmf-Hydrogel在UV照射10 s内发生显著凝胶转变，储能模量G'始终高于损耗模量G''，在0.1–45 rad/s频率范围内模量波动小，结构稳定。应变扫描显示水凝胶可承受最大约126%的应变，表现出优异的粘弹性和形变能力。粘附测试表明，Tmf-Hydrogel对皮肤、心、肝、脾、肺、肾等多种组织及塑料、金属、橡胶、蚕茧等非生物材料均表现出强粘附性。其中对皮肤的剪切粘附强度约30 kPa，剥离强度约20 N/m，显著高于纯GelMA水凝胶（约10 kPa）。
图3. 水凝胶的拉伸、压缩、流变及粘附性能评价。a) 水凝胶拉伸应力-应变曲线。b) 相应拉伸模量。c) 压缩模量。d) UV固化过程中储能模量G'和损耗模量G''随时间变化。e) 动态频率扫描。f) 1%~1000%应变范围内的应变扫描结果。g) Tmf-Hydrogel对手指的粘附（角度分别为180°、120°、115°、90°）。比例尺，1 cm。h) 对皮肤的多角度动态及静态粘附。比例尺，1 cm。i) 对心脏、肺、肾脏、肝脏的离体粘附。比例尺，5 mm。j) 对EP管、铬钒钢、橡胶塞、蚕茧的粘附。比例尺，5 mm。k,l) Tmf-Hydrogel对各组织的剪切粘附强度。
（3）水凝胶的细胞相容性与促迁移能力
通过活/死染色和CCK-8实验系统评价了水凝胶及其组分（GelMA、DMA、Lipo、Cstl@Lipo、LID）对3T3成纤维细胞和RAW264.7巨噬细胞的相容性。结果显示，各实验组绝大多数细胞呈绿色荧光（活细胞），死亡率低于5%，与阴性对照组无显著差异。CCK-8结果显示，共培养1、2、3天后细胞存活率保持高水平，且随时间稳步增殖。划痕实验表明，含Cstl的水凝胶（iii组和v组）能有效促进成纤维细胞迁移，24 h后v组（Tmf-Hydrogel）划痕宽度残余率仅45.66±4.54%，显著低于对照组（82.75±6.18%），证明其具有加速伤口愈合的细胞级证据。
图4. 材料细胞相容性及划痕实验结果。a) 3T3成纤维细胞与各材料共培养的活/死双染结果（第1、2、3天）。比例尺，200 μm。b) 基于双染结果的成纤维细胞存活率。c) CCK-8检测成纤维细胞活性。d) RAW264.7巨噬细胞与各材料共培养的活/死双染。比例尺，200 μm。e) 巨噬细胞双染存活率统计。f) 巨噬细胞CCK-8结果。g) 成纤维细胞划痕实验图像。比例尺，500 μm。h) 划痕宽度残余率统计。组间比较采用双因素方差分析。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。
（4）体外抗炎与巨噬细胞极化调控
采用LPS诱导的RAW264.7巨噬细胞炎症模型评估材料抗炎特性。免疫荧光显示，LPS刺激显著上调M1标志物CD86并下调M2标志物CD206。空白水凝胶基质（含LID）仅表现出轻度抗炎和促M2极化趋势，而Cstl干预组和Tmf-Hydrogel干预组均显著抑制CD86表达并显著上调CD206。流式细胞术定量证实，含Cstl的两组（iii和v）CD206⁺ M2巨噬细胞比例显著升高。ELISA检测显示，Cstl和Tmf-Hydrogel均显著下调促炎因子IL-1β分泌，同时显著上调抗炎因子IL-10。此外，HUVEC细胞实验表明Cstl和材料均能有效降低IL-1β产生，缓解炎症。
图5. 巨噬细胞炎症免疫荧光检测及材料抗炎效应。a) 免疫荧光染色：DAPI（蓝色）标记细胞核；CD86（红色）为M1型巨噬细胞标志物；CD206（绿色）为M2型标志物。比例尺，50 μm。b) CD86⁺细胞百分比。c) CD206⁺细胞百分比。d,e) 流式细胞术定量M2阳性细胞比例。f) IL-1β和g) IL-10分泌水平检测。组间比较采用单因素方差分析。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。
（5）体内镇痛与创面愈合效果
通过小鼠皮肤缺损模型（直径10 mm）系统评价Tmf-Hydrogel在有菌和无菌条件下的镇痛与促愈合效果。von Frey测试显示，含LID的两组（iv和v）缩足阈值显著高于不含LID组，证实LID的核心镇痛作用；Cstl@Lipo的引入进一步升高阈值，提示其抗炎作用间接辅助镇痛。伤口愈合图像及面积分析显示，Tmf-Hydrogel组（v组）始终维持最快愈合速率，第10天愈合率达约95%，显著优于对照组和商业敷料组。有菌和无菌模型均表现出一致趋势。主要器官（心、肝、脾、肺、肾）H&E染色未见明显病理变化，证实材料无显著全身毒性。
图6. 小鼠伤口模型中的镇痛与愈合效果。a) 感染伤口镇痛与愈合实验时间轴及关键时间点。b) 小鼠伤口感染模型及水凝胶敷料应用。c) von Frey测试示意图。d) LID释放曲线及局部放大。e) von Frey缩足阈值。f) 各组感染伤口在0、3、5、7、10天的代表性照片及伤口痕迹。g) 各组非感染伤口代表性照片及痕迹。h) 感染伤口相对面积统计。j) 非感染伤口相对面积统计。
（6）创面组织学分析
分别于第3、5、10天取材进行H&E和Masson三色染色。H&E显示，对照组各阶段肉芽组织增生 minimal 并伴有大量炎症细胞浸润，而含Cstl的iii组和v组愈合加速，组织更致密有序，肉芽组织更厚。Masson染色显示，iii组和v组胶原沉积（蓝色区域）显著多于对照组，第10天v组伤口处可见大量致密有序的胶原纤维沉积，提示再上皮化接近完成。定量分析显示，第10天iii组和v组胶原含量较生理盐水组增加近三倍。
图7. 小鼠创面愈合的组织学分析。a) 各组第3、5、10天的H&E染色图像。比例尺，500 μm（上）和100 μm（下）。b) 各组第3、5、10天的Masson三色染色图像。c) 第3天胶原沉积面积百分比。d) 第5天胶原沉积面积百分比。e) 第10天胶原沉积面积百分比。组间比较采用单因素方差分析。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。
（7）创面血管化与炎症动态监测
通过CD31（新生毛细血管标志物）和MMP-13（炎症标志物）免疫荧光染色监测修复过程中血管生成和炎症水平动态变化。第3天，v组（Tmf-Hydrogel）伤口处新生血管密度高于其他各组，CD31荧光强度定量证实该结果，提示其早期即增强血管生成，为上皮细胞再生提供营养。第10天各组血管化水平无显著差异，可能归因于肉芽组织同时形成和成熟。MMP-13结果显示，iii组在第3天即可抑制炎症水平；虽然v组第3天MMP-13下降不显著，但iii组和v组在第10天均表现出抗炎特性，MMP-13水平较其他组降低50%，表明材料有效限制了过度基质降解，符合伤口愈合自然进程。
图8. 创面血管化和炎症的免疫荧光染色。a) 各组第3天CD31和MMP13免疫荧光图像。比例尺，100 μm。b) 各组第10天CD31和MMP13免疫荧光图像。c) 第3天CD31水平定量。d) 第3天MMP13水平定量。e) 第10天CD31水平定量。f) 第10天MMP13水平定量。组间比较采用单因素方差分析。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001。
（8）促进创面愈合的分子机制
免疫荧光染色进一步探究材料调控巨噬细胞极化及相关信号通路的机制。结果显示，iii组和v组最能促进M2巨噬细胞极化，CD206⁺比例较生理盐水组升高近6倍；同时iii组和v组M1标志物CD86水平较低。TNF-α染色显示iii组和v组表达降低，v组最低，归因于Cstl与LID的协同作用。VEGF-A检测显示iii组和v组显著升高，表明Cstl促进早期内源性愈合。NF-κB通路检测显示，iii组和iv组均下调NF-κB，v组抑制最显著，提示Cstl与LID在抑制MAPK/NF-κB通路方面具有协同效应。综上，Tmf-Hydrogel通过促血管生成、抗炎和免疫调节协同机制促进创面愈合。
图9. Tmf-Hydrogel促进创面愈合的潜在机制免疫荧光染色。a) 巨噬细胞极化标志物免疫荧光图像。比例尺，100 μm（上）和25 μm（下）。b) 巨噬细胞极化标志物定量结果。c) TNF-α免疫荧光图像。d) TNF-α水平定量。e) VEGF-A定量结果。f) VEGF-A免疫荧光图像。g) NF-κB免疫荧光图像。h) NF-κB水平定量。组间比较采用单因素方差分析。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。
本研究提出了一种时序多级功能水凝胶敷料设计策略，可独立激活并调控粘附、镇痛、抗菌与抗炎各功能的持续时间，动态适配伤口愈合的不同阶段，实现按需起效。使用时仅需将液态前驱体滴于创面，以小型低能紫外灯照射10秒即可原位成胶。在小鼠皮肤缺损模型中，Tmf-水凝胶显著减轻疼痛并缩短愈合时间，其机制涉及抑制巨噬细胞向促炎M1表型极化及降低IL-1β水平。该策略将敷料研发重心从“多功能”拓展至“多层次功能时序调控”，强调在促进愈合的同时优先保障患者舒适度，有望发展成水凝胶敷料。
|
创赛生物 提供高品质的医疗产品和服务 |
联系我们 |
自研材料 |
扫码关注
关注公众号 扫码加客服
|
