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  皮膚是人體最大的器官，極易受到損傷。在機械應力動態變化的環境中，傷口易產生持續感染，可導致持續炎癥、血管生成受損、組織液滲出過多和活性氧積累等，進而導致慢性傷口和傷口愈合延遲。水凝膠作為皮膚傷口敷料已被廣泛研究，然而現有水凝膠無法實現對傷口愈合的全過程智能管理，極大限制了水凝膠敷料促進皮膚傷口愈合的效率。因此，開發具有對感染傷口愈合全階段動態管理的水凝膠敷料，以實現智能按需傷口閉合功能以及從殺菌階段到修復階段的過渡調節功能，存在明顯挑戰。

  日前，西安交通大學郭保林教授、憨勇教授和趙鑫副教授團隊在《National Science Review》上發表文章《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》，報道了一種具備按需熱收縮和超聲刺激壓電效應的雙網拓撲結構高強韌水凝膠敷料，實現了三階段動態轉化治療與全過程傷口管理的治療策略。UNMx水凝膠基質的第一個網絡由脲基嘧啶酮（UPy）改性明膠（GU）組成，通過UPy基團之間的多重氫鍵進行交聯；第二個網絡由N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）和甲基丙烯酰明膠（GMA）組成，在過硫酸銨（APS）引發下進行雙鍵自由基聚合。然后，將具備壓電性能的金納米顆粒修飾的鈦酸鋇納米顆粒BTO@Au負載到UNMx水凝膠基質中，最終獲得的水凝膠敷料UNMx/BAy（BA表示BTO@Au）具有智能主動熱響應收縮和超聲刺激壓電效應介導的按需ROS釋放和局部電刺激功能，其可促進運動部位皮膚慢性傷口愈合。

圖1. 水凝膠敷料制備原理、熱收縮機理及其在慢性感染運動創面中的應用示意圖。

  如圖1所示，UNMx/BAy水凝膠敷料提供的治療策略包括三個階段：首先，在高功率密度超聲刺激下，水凝膠敷料釋放出高水平的ROS，以有效殺滅傷口部位的細菌。隨后，用近紅外光照射敷料，通過聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）在高溫條件下相變誘導體積收縮，從而將創面邊緣拉緊。最后，在低功率密度超聲的刺激下，長時間釋放低水平的ROS，通過促進細胞遷移、膠原沉積、血管生成、調節炎癥、激活FAK和AKT信號通路進一步促進慢性感染運動創面傷口愈合。

圖2. UNMx/BAy水凝膠的表征及性能研究

  圖1B和圖2J-M結果表明水凝膠敷料具備增強的熱響應收縮性能。在光熱作用下，施加收縮力將創面邊緣牽拉加快閉合，從而加速創面愈合。增強的熱響應性收縮原理在于：水凝膠網絡的收縮力來源于PNIPAM聚合物鏈受熱時的體積坍縮。同時，在加熱后，由于UPy之間的氫鍵斷裂而提高收縮比，同時通過隨后的凝膠冷卻以固定水凝膠的收縮。具體而言，在近紅外光照射下，將水凝膠溫度控制在45℃，使GU中的多個氫鍵斷裂，以使水凝膠軟化，提高收縮比和效率。在停止近紅外光照射后，水凝膠冷卻到體表溫度（~ 35-37℃），多重氫鍵重構，從而固定熱響應性收縮的效果。

圖3. 超聲壓電效應介導的UNMx/BAy細胞調控作用。

  在優選的超聲功率密度（0.5 W/cm²）刺激下，UNMx/BAy能夠顯著促進成纖維細胞增殖與遷移，這歸功于超聲壓電效應產生的低水平ROS以及局部微電場的形成。同時，超電刺激下的水凝膠敷料可以通過產生壓電微環境來調節巨噬細胞的M2極化。

圖5. (A)第5天體內ROS染色、第5天TNF-α免疫熒光染色、第15天VEGF免疫熒光染色和第5天激光多普勒成像的代表性圖像。(B)第5天體內相對ROS含量定量統計。(C)第5天TNF- α的相對表達定量統計。(D)第15天VEGF的相對表達定量統計。(E)第5天創面平均血流灌注定量統計。

圖6. 聲壓電效應介導的水凝膠治療慢性感染傷口：RNA-seq分析。(A)對照組與UNM10/BA1 + US + NIR + C-US處理組轉錄組譜的主成分分析（PCA），每個數據點代表一個樣本。(B)火山圖顯示上調基因（1250）和下調基因（1285）。(C) UNM10/BA1 + US + NIR + C- US處理后差異表達基因的聚類分析熱圖。（D和E） UNM10/BA1 + US + NIR + C-US處理后基于基因本體（GO）和京都基因與基因組百科全書（KEGG）數據庫的上調基因功能富集分析。(F)對照組、UNM10 + US和UNM10/BA1 + US處理組HFB細胞中p-FAK和PI3K/AKT信號通路蛋白表達。(G)定量分析蛋白表達水平。

  西安交通大學材料科學與工程學院碩士研究生駱金龍為本論文的第一作者，西京醫院梁振博士為本文的共同第一作者。西安交通大學前沿科學技術研究院郭保林教授和材料科學與工程學院趙鑫副教授為論文的通訊作者。論文得到了西安交通大學材料科學與工程學院憨勇教授的指導和幫助。該項研究受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、陜西省重點研發計劃、陜西省科技廳青年項目、中央高校基本科研業務費專項資金和中國博士后科學基金項目聯合資助。

  論文鏈接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf118/8100502