引言

全球糖尿病患病率持续攀升，随之而来的并发症也日益突出，其中糖尿病创面是极为常见且严重的并发症之一，其终身发病率高达19-34%。糖尿病创面以其持续性感染和愈合困难为主要特征，若未能得到及时或恰当的治疗，极易导致截肢，严重损害患者的生活质量和健康状况，并显著增加社会医疗成本。因此，如何实现糖尿病创面的有效诊断与治疗，一直是公共卫生和临床医学领域面临的重大挑战。糖尿病创面持续难以愈合的原因是多方面的，通常包括：持续的细菌感染、肉芽组织细胞血管生成受损、局部免疫环境失调、过多的创面渗出物以及不当的创面管理。在临床实践中，糖尿病创面的早期治疗策略主要包括创面消毒、渗出物控制、局部免疫环境调节、促进血管生成、感染控制、优化血糖管理以及必要时的外科清创等。

值得关注的是，研究表明在炎症期调节巨噬细胞极化对于糖尿病创面愈合至关重要。在早期炎症反应中，M1型巨噬细胞通过分泌大量促炎细胞因子来维持炎症状态。而M2型巨噬细胞则与慢性炎症的消退、组织修复和创面愈合密切相关，它们通过分泌抗炎细胞因子来发挥作用。这两种巨噬细胞亚型之间的动态平衡对于正常的创面愈合过程至关重要。

然而，传统的创面敷料，如水凝胶、泡沫敷料和含银敷料，在管理糖尿病创面方面存在显著局限性。它们难以全面满足糖尿病创面对渗出物吸收、创面湿润保持、感染预防和透气性等复杂需求。更重要的是，这些敷料普遍缺乏免疫调节功能，无法适应糖尿病创面愈合过程中多阶段的需求，特别是在调节炎症反应和促进组织修复方面，从而限制了其临床疗效。例如，它们可能导致糖尿病创面过度湿润、透气性不足、孔径过小等问题。此外，水凝胶内细胞的存活率低，细胞迁移受限，常导致细胞分布不均。这些也限制了水凝胶内营养物质、氧气和代谢废物的交换，一定程度上阻碍了其进一步的临床应用。

鉴于此，由上海海军军医大学长征医院霍世成、上海海军军医大学长海医院白玉树、毛宁方教授团队合作完成，发表于《Journal of Nanobiotechnology》，题为“Piezoelectric-immunomodulatory electrospun membrane for enhanced repair of refractory wounds”该研究通过将压电材料与镓掺杂介孔生物活性玻璃（Ga-MBG）结合，开发了一种多功能静电纺丝敷料（PLLA@Ga），显著提升了糖尿病伤口的修复效果。这一研究不仅为伤口治疗提供了新思路，也为静电纺丝技术在创面修复领域的应用提供了新的理论支撑和实践范例。这一成果既延续了该领域的研究脉络，又通过技术创新推动了静电纺丝医用敷料的实际应用进程。

创新亮点

1. 多功能复合材料的创新设计

• 压电效应与Ga-MBG的协同作用：PLLA@Ga膜在超声波刺激下产生压电效应，释放活性氧（ROS）增强抗菌能力，同时Ga³⁺通过竞争性替代铁离子破坏细菌代谢，实现双重抗菌。

• 免疫调节功能：PLLA@Ga显著促进巨噬细胞从促炎M1型向抗炎M2型极化，优化伤口免疫微环境，加速愈合。

2. 静电纺丝技术的优化

• 高生物相容性与结构仿生：采用同轴静电纺丝技术将Ga-MBG纳米颗粒（~100nm）均匀分散在PLLA纤维基质中，解决了传统共混法易出现纳米颗粒团聚的问题。PLLA@Ga膜具有高孔隙率和仿皮肤结构，有效吸收渗出液并维持湿润环境，同时其表面亲水性和粗糙度提升细胞粘附与增殖。

• 可控离子释放：在酸性伤口环境中，Ga³⁺释放速率加快，增强局部抗菌和抗炎效果。

3. 显著的体内外效果

• 抗菌性能：对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等常见病原体表现出强效杀菌作用，细菌存活率降低90%以上。

• 促进血管生成与胶原沉积：通过上调VEGF和TGF-β1表达，显著加速伤口闭合和组织重塑。

• 安全性验证：体内实验显示无显著毒性，血液生化指标和主要器官未发现异常。

4. 机制研究的深度探索

• 转录组学分析：RNA测序揭示PLLA@Ga通过抑制细菌铁代谢和增强氧化应激实现杀菌，同时调控巨噬细胞相关通路（如NF-κB、MAPK）以减轻炎症。

• 多模态治疗策略：结合超声波、压电催化和离子释放，形成“抗菌-免疫调节-组织再生”一体化解决方案。

图文解析

该示意图生动展示了PLLA@Ga复合膜的制备过程及其多功能作用机制：通过同轴静电纺丝技术将Ga-MBG嵌入PLLA纤维中，在超声刺激下，膜材料产生压电效应，一方面促进ROS释放增强抗菌活性（针对S. aureus等病原体），另一方面调控巨噬细胞从促炎M1型向修复型M2极化（通过下调IL-1β/上调IL-10），同时加速血管新生和胶原重塑，形成"抗菌-免疫调节-组织再生"的级联治疗体系。图中清晰呈现了材料合成-功能激活-生物学效应的完整逻辑链。

 

图1：材料制备与表征

展示了Ga-MBG的形貌（SEM/TEM显示均匀球形颗粒，直径约100 nm）及PLLA@Ga复合膜的物理化学特性，包括SEM/EDS元素分布、FTIR/XRD化学结构、XPS镓价态分析，以及表面亲水性（接触角降低至53.8°）和粗糙度（Ra增加）的优化，证实Ga-MBG成功掺杂并提升材料生物相容性。

 

图2：压电性能与离子释放

通过PFM和超声刺激测试，证实PLLA@Ga具有显著压电响应（振幅115 pm，相位角167°），并能在外加电压下产生自发极化（蝴蝶曲线）。ESR检测显示超声触发羟基自由基（·OH）生成，增强抗菌性。ICP-MS数据表明，酸性环境（pH 5.5）和超声协同加速Ga³⁺释放，为感染伤口提供动态治疗。

 

图3：体外生物相容性与促修复功能

活死染色和CCK-8实验显示PLLA@Ga支持HUVEC和RS-1细胞高存活率与增殖；抗氧化实验（DCFH-DA染色）证实其清除ROS能力；血管生成实验（HUVEC管形成）和VEGF分泌检测表明其显著促进内皮细胞迁移与血管网络构建。

 

图4：体外抗菌效果

菌落计数（SPM）和活死染色（PI荧光）显示PLLA@Ga+US对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率超90%；流式细胞术和微孔板检测进一步验证其通过破坏细菌膜完整性（AKP、ONPG水解实验）和诱导氧化应激（ROS升高）实现高效抗菌。

 

图5：抗菌机制与转录组分析

TEM显示细菌膜结构破损；RNA测序揭示PLLA@Ga+US上调细菌氧化应激基因（如ROS通路），下调铁代谢和DNA修复基因（如KEGG富集分析），通过剥夺铁离子和抑制抗氧化酶协同杀菌。

 

图6：巨噬细胞极化调控

免疫荧光（iNOS↓/CD206↑）和流式细胞术（CD86⁺ M1↓至12.3%，CD206⁺ M2↑至26.1%）证实PLLA@Ga+US促进抗炎M2表型；RNA-Seq显示其抑制NF-κB等促炎通路，激活TGF-β等修复通路，重塑免疫微环境。

 

图7：体内伤口愈合效果

糖尿病感染小鼠模型中，PLLA@Ga+US组在第21天愈合率达93.7%（对照组仅65.2%），H&E和Masson染色显示更快的肉芽组织形成、胶原沉积及毛囊再生；CD31/α-SMA免疫荧光证实其促血管生成能力。

 

图8：体内免疫调节验证

流式与组织荧光显示PLLA@Ga+US显著减少伤口M1巨噬细胞（CD86⁺），增加M2（CD206⁺）；ELISA检测到IL-1β↓、IL-10/VEGF/TGF-β1↑，证实其通过免疫调控加速愈合。

总结与展望

本研究成功开发了一种具有固有免疫调节特性的复合静电纺丝创面敷料，并在糖尿病感染创面修复领域展现出巨大的潜力。将压电特性整合到PLLA@Ga中，结合超声刺激，显著增强了细菌清除能力和ROS生成，同时有效调节了巨噬细胞极化，从而显著改善了创面愈合结果。本研究为静电纺丝技术在多功能复合材料领域的应用开辟了新的方向，特别是结合了压电材料和生物活性离子释放，为开发更智能、更高效的医用敷料提供了范例。未来的研究将进一步聚焦于克服临床转化中的挑战，以期将这一创新成果早日应用于患者，改善他们的生活质量。

文章来源：https://doi.org/10.1186/s12951-025-03393-z