双功能析氢水凝胶用于糖尿病伤口治疗

研究亮点

- 设计了一种将纳米颗粒转化为二维纳米片的实验方法。

- Z型异质结展现出双功能光催化活性。

- 有效整合光催化产氢与葡萄糖降解。

- 氢气的抗炎和清除活性氧（ROS）作用，与降低葡萄糖水平协同发挥作用。

- 协同调节微环境，促进糖尿病足溃疡（DFU）伤口愈合。

研究单位：山东第二医科大学，北京中日友好医院

糖尿病足溃疡（DFUs）是糖尿病常见且严重的并发症，高血糖引发的慢性炎症和氧化应激会加剧病情，共同阻碍伤口愈合过程。有效的治疗需要通过局部降低葡萄糖水平、抗炎调节和清除活性氧（ROS）来协同调节病理微环境。本研究开发了一种可注射的功能化水凝胶，其中掺入了铋纳米晶修饰的钨酸铋/氢掺杂二氧化钛（Bi₂WO₆/H-TiO₂）异质结，该异质结具有葡萄糖降解和析氢的双光催化特性。在光照下，水凝胶利用伤口处的葡萄糖作为牺牲底物，同时降低局部葡萄糖浓度并促进原位产氢。释放的氢气具有强大的抗氧化和抗炎活性，与葡萄糖消耗协同抑制细胞凋亡并加速组织修复。系统评估显示，在高血糖体外模型中细胞增殖和迁移增强。在糖尿病小鼠模型上进行的体内实验表明，伤口在3天内闭合50%，同时血管生成和胶原重塑得到改善。这种光催化协同策略通过调节微环境和恢复氧化还原稳态，为糖尿病伤口治疗提供了一种具有临床应用前景的方法。

图形摘要

引言

全球糖尿病患者人数估计约为5.29亿，预计到2050年将增至13.1亿。在糖尿病最常见且最严重的并发症中，糖尿病足溃疡的终生发病率约为30%，它与残疾和死亡率上升、治疗成功率有限以及患者生活质量大幅下降密切相关。[1,2] 糖尿病足溃疡治疗的主要挑战来自其复杂的病理微环境，持续的高血糖会诱导晚期糖基化终末产物（AGEs）和ROS的过度形成，进一步损害愈合过程。过量的ROS会刺激炎症细胞的表达，阻碍M1巨噬细胞向抗炎性M2巨噬细胞的表型转变。这种失调使伤口处于以高血糖、ROS升高、持续炎症、缺氧和易感染为特征的病理环境中。[[3], [4], [5], [6]] 此外，糖尿病足溃疡患者血液循环不良，显著降低了全身抗生素治疗的疗效。因此，局部外用药物结合换药因其实用性和成本效益而常被优先选用。然而，仅使用抗生素无法直接缓解炎症，还可能延迟伤口愈合。随着时间的推移，患者常常会对传统的抗糖尿病药物和抗生素产生耐药性，而反复换药会对伤口部位造成二次损伤。这些局限性凸显了开发新颖有效的替代治疗策略的迫切需求。[[7], [8], [9]]

氢气（H₂）已成为一种有前景的医用气体，与一氧化氮、一氧化碳和硫化氢相比，具有更高的生物安全性和组织渗透性。大量研究表明，氢气具有强大的抗氧化、抗炎和抗凋亡特性。通过选择性清除过量的ROS并降低M1/M2巨噬细胞极化比率，它可以减轻慢性伤口中的过度炎症，为溃疡修复创造有利于愈合的免疫微环境。[10,11] 这些作用有助于减轻缺血 - 再灌注损伤、刺激血管生成、促进细胞增殖和迁移以及促进胶原蛋白合成，从而加速伤口愈合。[[12], [13], [14], [15], [16]] 当前氢气的递送方法包括吸入、饮用富氢水和注射富氢盐水。然而，这些方法受到氢气储存和运输方面固有挑战以及其低水溶性的限制，这限制了其有效渗透到伤口组织中。此外，氢气暴露的时间通常较短，往往导致治疗效果不佳。因此，开发可持续的氢气递送系统对于有效治疗慢性伤口至关重要。[[17], [18], [19], [20]]

光催化原位水分解可直接向伤口部位持续供应氢气。虽然这项技术已在抗肿瘤治疗等领域得到广泛探索和应用，但使用高效且生物相容性好的光催化剂控制氢气释放以促进糖尿病足溃疡愈合的报道却很少。[[21], [22], [23]] 为应对糖尿病足溃疡复杂的病理微环境，上海交通大学的何前军教授引入了一种将光催化葡萄糖降解与产氢相结合的新策略。经过设计的氢掺杂TiO₂纳米棒光催化剂能够以葡萄糖为牺牲剂，在可见光驱动下产生氢气。这种双功能方法利用氢气的抗炎和抗氧化作用调节伤口微环境，同时促进原位葡萄糖消耗，抑制糖基化反应和AGE受体的表达，从而有助于糖尿病足溃疡的有效治疗。[24] 然而，高光生载流子复合率常常限制单组分半导体，显著降低其催化活性。[[25], [26], [27]] 为提高治疗效果，提高产氢能力和光催化剂稳定性至关重要。一种广泛采用的策略是构建半导体异质结，这有助于更有效地分离和迁移载流子。这种异质结的成功构建取决于两种半导体之间能带结构的精心匹配和晶格兼容性，以实现界面处的有效电荷转移。[28,29] 此外，在选择用于治疗应用的材料时，生物相容性仍然是一个关键考虑因素。

本研究使用生物相容性好的铋基半导体和TiO₂设计了一种铋簇修饰、富含氧空位（Vo）的Bi₂WO₆/H-TiO₂半导体异质结光催化剂（方案1）。这种光催化剂具有优化的Z型能带排列和二维层状结构，提供了丰富的活性位点。光催化剂被均匀包裹在水凝胶基质中，以进一步提高生物相容性。应用于伤口部位后，水凝胶在可见光下促进持续的葡萄糖消耗和氢气生成，有效降低葡萄糖水平，并发挥抗氧化和抗炎作用，改善伤口微环境。这种策略促进血管生成并加速组织再生，使这种集成光催化平台成为治疗糖尿病足溃疡的一种有前景的治疗方案。