摘要：糖尿病溃疡是糖尿病患者截肢和死亡的主要原因之一，其愈合过程复杂，涉及内源性电场（EF）驱动的再上皮化和真皮形成，以及生长因子诱导的血管新生。然而，糖尿病溃疡的微环境特征是严重的电解质丢失和高血糖引起的内皮功能障碍，导致内源性电场和生长因子功能受损，使得伤口难以

仅供医学专业人士阅读参考

糖尿病溃疡是糖尿病患者截肢和死亡的主要原因之一，其愈合过程复杂，涉及内源性电场（EF）驱动的再上皮化和真皮形成，以及生长因子诱导的血管新生。然而，糖尿病溃疡的微环境特征是严重的电解质丢失和高血糖引起的内皮功能障碍，导致内源性电场和生长因子功能受损，使得伤口难以愈合。现有的治疗方法，如电刺激和生长因子治疗，存在生物相容性差、成本高、稳定性差等问题。因此，开发一种能够同时恢复电场和血管新生信号的新型治疗系统具有重要意义。

近日，来自浙江大学彭丽华、吴琛等人开发了一种无线生物相容的热电水凝胶（HFN），通过可生物降解的透明质酸和聚醚F127交联而成，能够有效产生定向电场刺激。此外，研究团队进一步将人参来源的靶向修饰外泌体（RGE）嵌入水凝胶中，形成HFN-RGE复合材料，用于增强糖尿病溃疡的愈合效果（图1）。相关研究成果以“Wireless Thermoelectric Hydrogel Recreates Biomimetic Electric Field and Angiogenic Signal Accelerating Diabetic Ulcer Repair”为题于2025年2月25日发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1 HFN-RGE设计和治疗程序的示意图

1.通过“阳离子陷阱”效应在HFN水凝胶中产生定向热电场

作者首先详细描述了如何通过“阳离子陷阱”效应在HFN水凝胶中产生定向热电场（thermo-EF）。HFN水凝胶由可生物降解的透明质酸（HA）和聚醚F127（F127）交联而成，通过引入甲基丙烯酰基团和二丙烯酸酯基团，使其能够在紫外光诱导下形成水凝胶基质（图2a）。

为了增强热电效应，作者在水凝胶中加入了NaCl电解质，利用Na⁺和Cl⁻的体积差异和电荷特性，促进热电场的产生。实验中，通过检测水凝胶表面电位，发现其具有显著的负电位（-279±66.6 mV，图2d），这表明水凝胶内部形成了“阳离子陷阱”，阻碍了阳离子的迁移，同时促进了阴离子向冷端的移动。这种高阳离子选择性通过使用带有相反电荷的染料（Rh(+)和Rh(-)）进一步验证，结果显示Rh(+)在水凝胶中的扩散速度明显快于Rh(-)，这证实了“阳离子陷阱”的存在。

此外，研究者还探讨了不同浓度NaCl对HFN水凝胶热电性能的影响。实验发现，当NaCl浓度较低时（0M、0.1M），水凝胶表现出n型热电效应，其热电势分别为-1.715 mV/K和-1.393 mV/K（图2f）。然而，当NaCl浓度增加到0.2M及以上时，热电效应转变为p型，热电势变为正值。这一转变现象的机制在于，低浓度电解质条件下，阴离子在负电荷环境中快速迁移，导致冷端电位降低，从而产生从热端到冷端的定向电场（图2i）。而在高浓度电解质条件下，阳离子倾向于在负电荷聚合物链上“凝聚”，阻碍阴离子迁移，使得阳离子更快到达冷端，导致电位升高并反转电场方向。为了确保水凝胶在生理浓度范围内具有稳定的热电输出，作者选择了0.1M NaCl作为最佳条件，该条件下水凝胶能够实现至少20次稳定的热电循环（图2k），而0M NaCl的水凝胶仅能维持3次循环（图2j）。这表明NaCl的加入不仅提供了更多的迁移离子，还显著降低了离子传输阻力。

此外，HFN水凝胶在0.1M NaCl条件下展现出良好的机械性能，最大拉伸应变超过200%，压缩应变约为81%，能够适应人体表面的变形。其杨氏模量分别为68.10 KPa（拉伸）和129.55 KPa（压缩），显示出足够的强度和韧性。此外，经过多次循环拉伸和压缩后，水凝胶能够完全恢复到原始状态，且滞后率保持在0.1以下（图2l-o），表明其具有优异的力学适应性和结构稳定性。这些特性使得HFN水凝胶成为一种理想的伤口敷料材料，能够为糖尿病溃疡的治疗提供稳定的微环境。

图2 HFN水凝胶的热电学特性和机械测试

2.在HFN-RGE中整合促血管生成RGE

接着，作者将促血管生成的RGE（人参来源的靶向修饰外泌体）与HFN水凝胶中的生物模拟热电场（thermo-EF）相结合，以增强糖尿病溃疡的愈合效果。RGE是通过将REDV肽锚定在人参来源的外泌体（GE）表面制备而成，REDV肽能够特异性识别内皮细胞（ECs）表面的α4β1整合素，从而实现精准靶向。作者通过TEM、粒径分析对其进行了基本表征（图3b-e），流式细胞术表明RGE具有显著的血管靶向性（图3f-h）；RGE能够显著提高HUVECs的增殖、迁移和管状形成能力，其效果优于未修饰的GE（图3i-m），这表明RGE在逆转内皮功能障碍和促进血管生成方面具有显著效果。

为了实现全面的糖尿病溃疡愈合，作者将RGE嵌入HFN水凝胶中，形成HFN-RGE复合材料。这种设计不仅保留了HFN水凝胶的热电性能，还能通过控制RGE的释放来促进血管生成。实验中，RGE在HFN-RGE中均匀分散（图3n），并在37°C下48小时内实现了25.8%和86.7%的释放率（图3o）。HFN-RGE的热电性能也得到了验证，在15°C温差下可产生约17.45 mV的开路电压（图3p），这与伤口内源性电场的强度相当，能够有效补充内源性电场的不足。此外，HFN-RGE通过无线热电场和嵌入的治疗性外泌体，实现了人工热电场和血管生成信号的协同作用（图3q），为糖尿病溃疡的治疗提供了一种集成的治疗系统。

图3 RGE和HFN-RGE的表征和评估

3.HFN-RGE水凝胶在促进糖尿病溃疡的再上皮化和真皮再生的机制

HFN-RGE水凝胶通过其独特的“阳离子陷阱”效应产生定向热电场（thermo-EF），能够有效引导细胞的定向迁移。实验中，通过H&E染色观察到HFN-RGE处理的伤口在第7天和第14天时，细胞和细胞外基质（主要是胶原纤维）表现出一致的取向，而空白对照组和RGE组的细胞则呈随机分布（图4b）。结果显示，HFN-RGE组的细胞长宽比在第7天时显著高于空白组和RGE组，分别高出3.64倍和3.11倍（图4c、d），这表明HFN-RGE能够有效引导细胞的定向迁移。通过免疫荧光染色检测细胞角蛋白14（CK14）来评估再上皮化程度，表明HFN-RGE组显示出显著的再上皮化效果（图4e、f）。

HFN-RGE水凝胶在促进真皮再生方面也表现出显著效果。通过免疫荧光染色检测波形蛋白（vimentin）来评估成纤维细胞的迁移和增殖。结果显示，HFN-RGE组的波形蛋白阳性面积显著高于其他组，表明大量成纤维细胞在定向电场的引导下迁移到溃疡部位（图4g、h、i）。在真皮再生过程中，胶原蛋白的沉积和重塑是关键环节。通过Sirius红染色分析胶原蛋白的类型和排列，结果显示HFN-RGE组的胶原蛋白I型和III型比例接近正常皮肤的4:1比例（图4j、k），且胶原纤维沿电场方向平行排列，类似于正常皮肤组织。这种定向排列的胶原纤维不仅增强了皮肤的机械强度，还为细胞提供了更好的生长环境，进一步促进了真皮再生的质量。

图4 对愈合皮肤的再上皮化和真皮再生的评估

4.HFN-RGE水凝胶增强糖尿病溃疡的血管生成和组织再生

HFN-RGE水凝胶通过其独特的热电效应和嵌入的RGE，显著促进了糖尿病溃疡部位的血管生成。实验中，通过免疫荧光染色检测CD31（标记新生血管）和α-SMA（标记成熟血管）的表达，结果显示HFN-RGE处理的溃疡皮肤中这两种标记物的荧光强度最为显著（图5a），定量分析进一步支持了这一点（图5b、c）。此外，微血管成像结果显示，HFN-RGE组的新生血管网络最为成熟，血管长度更长，管腔更大（图5d），类似于正常皮肤的血管状态。此外，通过苏木精-伊红（H&E）染色观察到，HFN-RGE组的肉芽组织生长最为理想，表现为大量成纤维细胞、胶原沉积和新生血管的形成（图5e、f），表明HFN-RGE不仅促进了血管生成，显著改善了溃疡部位的整体组织再生。

图5 评估愈合皮肤中血管生成和肉芽组织形成

5.单细胞RNASEQ揭示了HFN-RGE的细胞调节机制

作者通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）深入揭示了HFN-RGE水凝胶在糖尿病溃疡愈合过程中对细胞调控的分子机制（图6）。研究从细胞类型鉴定、细胞亚群分析、基因调控网络构建以及细胞间相互作用等多个层面，全面剖析了HFN-RGE如何通过整合生物模拟电场和促血管生成信号，协同调节多种细胞的功能，从而促进糖尿病溃疡的组织再生和修复。

图6 单细胞水平的成纤维细胞和EC的分析

6.HFN-RGE通过PPAR信号激活操纵糖尿病性溃疡修复

PPAR信号通路是一类核受体信号通路，广泛参与细胞代谢、炎症反应和组织修复等生物学过程。在糖尿病溃疡的复杂微环境中，PPAR信号通路的激活对于调节细胞功能和改善组织修复具有重要意义。图7展示了HFN-RGE通过PPAR信号通路激活对糖尿病溃疡修复的调控机制。通过细胞间相互作用网络分析，揭示了HFN-RGE处理后细胞间信号传导的变化。此外，PPAR信号通路的激活还影响了细胞的代谢状态，促进了细胞的能量代谢和合成代谢，为组织修复提供了充足的物质基础。

图7 HFN-RGE在促进糖尿病性溃疡愈合中的分子机制

综上，本文开发了一种无线生物相容的热电水凝胶（HFN-RGE），通过整合生物模拟电场（thermo-EF）和精准促血管生成的外泌体（RGE），实现了对糖尿病溃疡的高效修复。研究结果表明，HFN-RGE能够通过“阳离子陷阱”效应产生定向热电场，有效引导细胞的定向迁移，促进再上皮化和真皮再生。同时，RGE的精准释放能够逆转内皮功能障碍，显著增强血管生成。单细胞RNA测序进一步揭示了HFN-RGE通过激活PPAR信号通路，调节成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞的基因表达，从而促进胶原重塑、血管生成和炎症调节。这种电-生物混合系统不仅具有良好的生物相容性和机械性能，还能在糖尿病溃疡的复杂微环境中实现精准治疗，为糖尿病溃疡的临床治疗提供了一种极具潜力的新策略。

来源：EngineeringForLife一点号