中科院上海硅酸鹽所劉宣勇團隊 Mater. Today：基于壓電增強動電效應的超聲響應水凝膠促進神經血管再生加速糖尿病創面愈合
糖尿病創面愈合困難是糖尿病患者面臨的主要并發癥之一。糖尿病創面局部血管壞死、周圍神經病變以及細菌感染嚴重阻礙了創面愈合，開發一種能夠抗菌并且促進神經和血管再生的新型創面敷料具有重要的臨床意義。細胞膜電位和內源性電場在細胞和組織的代謝與修復中發揮著重要作用，細菌的物質和能量代謝與跨膜電子轉移密切相關。設計具有電刺激功能的水凝膠敷料能調節創面的電生理微環境從而促進創面愈合。
近期，中國科學院上海硅酸鹽所劉宣勇、邱家軍團隊與烏鎮實驗室龔文、姚方周團隊合作開發了一種新型超聲響應水凝膠，通過壓電增強的動電效應實現聲電轉換，顯著促進糖尿病創面神經血管再生從而加速傷口愈合（圖1）。該水凝膠由明膠/聚乙烯醇聚合物網絡結合鈮酸鉀鈉壓電納米晶體和還原氧化石墨烯構成，具有良好的自愈性、皮膚粘附性和導電性。研究結果表明，該水凝膠在超聲作用下可產生電刺激，有效促進內皮細胞血管生成、上調施萬細胞神經營養因子的表達并抑制細菌感染，能促進創面組織中神經血管再生，加快創面愈合，這為糖尿病傷口的治療提供了新思路。相關工作以 An ultrasound-responsive hydrogel with piezoelectric-enhanced electrokinetic effect accelerates neurovascular regeneration for diabetic wound healing為題發表在《Materials Today》。文章第一作者是中國科學院上海硅酸鹽所王芳博士。
圖1. 水凝膠的聲電轉換機制和糖尿病傷口愈合示意圖。
該工作的主要創新點在于其基于壓電增強動電效應的聲電轉換機制（圖2）。根據動電效應理論，超聲波在含電解液的多孔水凝膠傳播時，聲壓驅動電解液流動，使固-液界面雙電層中的離子沿聲波方向移動，從而產生流動電勢。無鉛壓電材料鈮酸鉀鈉因其卓越的壓電性能和生物相容性而備受關注。超聲刺激誘導鈮酸鉀鈉極化和表面電荷重排，使得水凝膠表面非平衡電荷增加，壓電效應與動電效應結合使得水凝膠的超聲響應電信號增強。
圖2. 水凝膠在超聲作用下基于壓電增強動電效應產生電刺激。
細胞實驗表明，超聲響應水凝膠能顯著促進施萬細胞神經修復相關基因NGF、Calm3和BDNF表達，并促進神經營養因子NGF、BDNF和VEGF分泌,促進內皮細胞成血管及相關基因VEGFR-2、FGF-2和PDGF-B表達（圖3）。
圖3. 超聲響應水凝膠促進神經血管再生進而加速糖尿病傷口愈合。
超聲響應水凝膠破壞了細菌膜，抑制細菌能量物質ATP合成，從而有效抑制細菌的增殖（圖4），對金黃色葡萄球菌的抗菌率達98.5%，對大腸桿菌的抗菌率也達到95.8%。
圖4. 超聲響應水凝膠可破壞細菌膜并影響細菌能量代謝從而實現抗菌。
糖尿病大鼠創面模型結果表明，超聲響應水凝膠促進了創面組織中神經纖維和新生血管數再生，進而加速了傷口愈合（圖5）。
圖5. 超聲響應水凝膠促進神經血管再生加速糖尿病創面愈合。
這項研究開發了一種新型超聲響應水凝膠，通過壓電增強動電效應產生電刺激，促進創面組織神經血管再生，加快創面愈合，這為糖尿病創面的治療提供了新思路。
原文鏈接：Fang Wang1, Jiajun Qiu1, *, Shiwei Guan, Shuhan Chen, Xiaoshuang Nie, Zhengqian Fu, Fang-Zhou Yao*, Wen Gong*, Ke Wang, Xuanyong Liu*. An ultrasound-responsive hydrogel with piezoelectric-enhanced electrokinetic effect accelerates neurovascular regeneration for diabetic wound healing. Materials Today, 2025。
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.02.003
