糖尿病足潰瘍（DFU） 是糖尿病最嚴重的并發癥之一，截肢率高達20%。長期以來，多重耐藥菌感染、慢性炎癥與氧化應激的惡性循環，使這類傷口難以愈合。然而，越來越多的證據表明，一個被長期忽視的關鍵因素在于——糖尿病患者傷口內源性電場的顯著減弱或喪失。在健康上皮組織中，離子通道與轉運蛋白的不對稱分布建立了一個跨上皮電位；當皮膚受損，這一電位會短路，產生一個以傷口中心為負極的側向電場，引導周圍細胞定向遷移、增殖，從而高效修復組織。但在糖尿病狀態下，離子通道/轉運蛋白功能下降與電解質紊亂，共同破壞了這一精密的生物電導航系統。

針對這一難題，中國科學技術大學附屬第一醫院柏家祥主治醫師、朱晨主任、蘇州大學附屬第一醫院喬渝森醫師、東方理工大學米博斌教授團隊聯合開發了一種名為ADZ@Lut的自供能離子熱電雙網絡水凝膠。該水凝膠無需外部電源，僅利用皮膚與空氣之間的天然溫差即可產生傷口相關的微電流，同時整合了抗菌、抗炎和促再生功能，從生物電重建和微環境重塑雙重通路加速糖尿病潰瘍愈合。相關論文以“Bioelectric Reawakening by a Self-Powered Thermoelectric Hydrogel Accelerates Diabetic Ulcer Repair”為題，發表在Advanced Materials上。

示意圖1 | ADZ@Lut水凝膠的設計與多功能性。 ADZ@Lut整合了基于AMPS-Na的離子熱電網絡與DPMA、木犀草素和Zn2?，形成雙網絡水凝膠。皮膚-空氣溫度梯度驅動Soret型離子熱擴散，恢復傷口定向電場，并實現Zn2?和木犀草素的持續釋放以抑制細菌定植和調節炎癥。熱電刺激進一步促進血管生成并激活Ca2?/鈣調蛋白依賴性磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）和細胞外信號調節激酶（Erk）信號通路，從而增強成纖維細胞增殖和遷移。

研究團隊設計了一種四組分協同的水凝膠體系：以離子熱電單體AMPS-Na為主鏈，利用皮膚-空氣約10K的溫差，通過離子塞貝克效應持續輸出約90mV的電壓，模擬生理性傷口電場；同時引入含兒茶酚基團的DPMA提供強效濕態粘附；并通過木犀草素與Zn2?構建雙網絡結構，分別以化學方式和物理方式協同殺滅耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和大腸桿菌，并抑制NLRP3炎癥小體、清除活性氧，將巨噬細胞從促炎的M1型極化為修復的M2型（圖1）。

掃描電鏡顯示，ADZ@Lut水凝膠形成了致密的三維多孔網絡，而能量色散X射線光譜證實各元素分布均勻（圖1a, b）。傅里葉變換紅外光譜揭示了兒茶酚-木犀草素氫鍵與兒茶酚-Zn2?配位作用共存，證實了雙網絡結構的形成（圖1d）。力學測試表明，該水凝膠在彎曲、扭轉、壓縮和拉伸下均能緊密貼合皮膚與關節部位，且儲能模量遠高于損耗模量，展現出優異的粘彈性固體行為；Zn2?的引入顯著提高了極限應變與應力（圖1c, e, f）。溶脹實驗顯示，ADZ@Lut因多重動態交聯而實現了適度可控的溶脹與優異保水性（圖1g）。在21天的釋放曲線中，Zn2?呈“初始暴釋后平臺”模式，滿足早期抗菌需求；木犀草素則持續緩慢釋放，提供長效抗氧化支持（圖1h）。熱電勢測試中，四種水凝膠的塞貝克系數均穩定在8-10 mV/K，離子電導率與熱導率處于同一數量級（圖1i-l）；當ADZ@Lut貼附于人體皮膚（溫差約10K）時，實測開路電壓達90.3 mV，與生理性傷口電場強度相當（圖1m-o）。

圖1 | AD、AD@Lut、ADZ和ADZ@Lut水凝膠的結構、力學、溶脹/釋放及熱電表征。 （a）四種配方的代表性SEM圖像。（b）EDS元素分布圖。（c）ADZ@Lut在皮膚和關節部位以及彎曲、扭轉、壓縮和拉伸狀態下適應性粘附和機械順應性的照片展示。（d）四種水凝膠的FTIR光譜。（e）頻率掃描流變學顯示所有配方均呈現固體樣粘彈性行為（G′ ? G″）。（f）拉伸應力-應變曲線顯示Zn2?摻入和雙網絡形成后強度和韌性增強。（g）四組水凝膠的溶脹曲線。（h）Zn2?和木犀草素在21天內的累積釋放曲線。（i-l）熱電參數：（i）功率因子，（j）塞貝克系數，（k）熱導率，（l）四種水凝膠的離子電導率。（m）ADZ@Lut在階梯式溫度梯度（ΔT = 3、5和10 K）下的開路電壓輸出。（n）敷料部位的皮膚上展示和紅外熱成像（左：照片圖像；右：熱成像圖），顯示典型的皮膚-空氣溫度梯度（約10 K）。（o）皮膚上接觸10分鐘后的原位電壓測量，顯示ADZ@Lut在實際條件下產生約90 mV的輸出。所有定量實驗樣本量n=3。數據以均值±SD表示。統計學顯著性通過單因素方差分析和Tukey多重比較檢驗確定。P<0.05認為具有統計學顯著性；ns，不顯著。

在抗菌與抗生物膜實驗中，ADZ@Lut對MRSA和大腸桿菌的抑制率分別達到97.57%和96.82%，顯著優于單載木犀草素或Zn2?的水凝膠（圖2a-c）。結晶紫染色與共聚焦顯微鏡證實，該水凝膠能深入破壞已形成的生物膜，在厚度方向上大幅減少活菌信號（圖2d-f）。透射電鏡觀察到細菌細胞壁/膜破裂、胞漿滲漏等嚴重超微結構損傷（圖2g）。值得注意的是，外加電刺激并未進一步增強抗菌效果，說明殺菌作用主要歸因于Zn2?和木犀草素的化學協同而非電刺激本身（圖2h）。

圖2 | AD、AD@Lut、ADZ和ADZ@Lut對MRSA和大腸桿菌的抗菌和抗生物膜活性。 （a）與各配方共孵育24小時后的代表性菌落形成單位瓊脂平板。（b,c）MRSA（b）和大腸桿菌（c）的細菌存活率定量。（d）結晶紫染色（上）和共聚焦激光掃描顯微鏡活/死成像（下）評估生物膜形成與破壞；結晶紫孔旁數字表示殘留生物膜覆蓋面積占孔總面積的比例。（e,f）通過CLSM獲得的MRSA（e）和大腸桿菌（f）生物膜的深度分辨熒光強度分布圖，量化活菌在生物膜厚度上的分布。（g）處理后細菌的代表性透射電子顯微鏡圖像。（h）ADZ@Lut抗菌和抗生物膜機制的示意圖。所有定量測量n=6個獨立實驗；數據以均值±SD表示。統計學顯著性通過單因素方差分析和Tukey多重比較檢驗確定。p<0.05，p<0.001，p<0.0001。

在免疫調節實驗中，脂多糖刺激的RAW264.7巨噬細胞經ADZ@Lut處理后，M1型標志物iNOS陽性細胞比例降低54.19%，M2型標志物Arg-1陽性細胞增加1.74倍（圖3a, c, e, f）；流式細胞術也證實CD86?亞群減少、CD206?亞群增加（圖3b, d, g, h）。qRT-PCR顯示促炎基因Tnf、iNOS、NLRP3下調，抗炎基因Arg-1、Il-10及NF-κB負反饋調節因子Tnfaip3上調。在原代骨髓來源巨噬細胞中同樣驗證了這一趨勢。此外，DPPH和ABTS自由基清除實驗及DHE染色證實該水凝膠具有強抗氧化活性（圖3i）。

圖3 | ADZ@Lut對巨噬細胞極化的免疫調節作用。 （a,c）代表性免疫熒光圖像顯示M1標記物iNOS（a）和M2標記物Arg-1（c）的表達。（b,d）流式細胞術顯示CD86? M1（b）和CD206? M2（d）巨噬細胞的比例。（e,f）基于免疫熒光染色的M1（e）和M2（f）巨噬細胞比例的定量分析。（g,h）基于流式細胞術的CD86? M1（g）和CD206? M2（h）巨噬細胞比例的定量分析。（i）RAW264.7巨噬細胞和L929成纖維細胞中DHE染色的代表性熒光圖像，評估細胞內ROS水平。所有定量實驗樣本量n=6。數據以均值±SD表示。統計學顯著性通過單因素方差分析和Tukey多重比較檢驗確定。p<0.05，p<0.001，p<0.0001。

在細胞增殖與遷移階段，將成纖維細胞（L929）和內皮細胞（HUVECs）與ADZ@Lut共培養并施加熱電刺激（ΔT=10K）后，CCK-8顯示第3、5天細胞數量增至對照組的1.5倍（圖4b, c）；Transwell實驗中遷移細胞數分別增至5.3倍和2.4倍（圖4d-g）；劃痕實驗中傷口閉合速率分別提高3.1倍和1.5倍（圖4h-k）；Matrigel管形成實驗中總管長度和節點數顯著增加，證實熱電刺激促進血管生成（圖4l-n）。活/死染色進一步證實材料本身和溫和電刺激均無細胞毒性（圖4a）。

圖4 | 熱電刺激對細胞增殖、遷移和血管生成的體外促進作用。 （a）L929成纖維細胞和HUVECs的活/死染色代表性熒光圖像。（b,c）CCK-8法檢測L929細胞（b）和HUVECs（c）在第1、3、5天的增殖情況。（d-g）Transwell遷移實驗：L929細胞（d,e）和HUVECs（f,g）的結晶紫染色代表性圖像及遷移細胞數定量。（h-k）劃痕愈合實驗：L929細胞（h,i）和HUVECs（j,k）在0和24小時的代表性圖像及傷口閉合率定量。（l-n）Matrigel管形成實驗：HUVECs（l）的代表性圖像，以及總管長度（m）和節點數（n）的定量。（o）示意圖總結ADZ@Lut衍生的生物電信號如何促進成纖維細胞遷移和內皮細胞血管生成。所有實驗樣本量n=6。數據以均值±SD表示。統計學顯著性通過單因素方差分析和Tukey多重比較檢驗確定。ns，不顯著；p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。

為解析分子機制，研究團隊對有無電刺激的成纖維細胞進行了RNA測序。主成分分析與火山圖顯示兩組轉錄組顯著分離，共1640個基因上調、764個下調（圖5a, b, d）。基因本體富集分析顯示細胞外基質結合、細胞粘附分子結合、鈣調蛋白結合等條目顯著富集（圖5c, e）；京都基因與基因組百科全書通路分析揭示PI3K-Akt信號通路、粘著斑、ECM-受體相互作用等被激活（圖5f）。基因集富集分析進一步證實鈣信號通路、PI3K-Akt通路在電刺激組顯著富集（圖5g-i）。

圖5 | 轉錄組學分析揭示Ca2?依賴性PI3K-Akt信號通路參與熱電刺激增強的成纖維細胞遷移和增殖。 （a）ADZ@Lut (+) 和 ADZ@Lut組之間全局轉錄分離的3D PCA圖。（b）RNA測序鑒定的差異表達基因火山圖，紅色表示ADZ@Lut (+) 相對于ADZ@Lut上調的基因，藍色表示下調的基因。（c）弦圖展示代表性上調基因及其相關的GO term。（d）比較ADZ@Lut (+) 和ADZ@Lut的DEGs熱圖。（e）GO分子功能富集分析突出顯示了ECM結合、ECM結構成分、細胞粘附分子結合和鈣調蛋白結合的過表達。（f）KEGG通路富集分析顯示PI3K-Akt信號、粘著斑、ECM-受體相互作用和細胞骨架相關通路的激活。（g-i）鈣信號通路（g）、PI3K-Akt信號通路（h）和Ras信號通路（i）的GSEA分析，顯示在ADZ@Lut (+) 組中顯著富集。RNA-seq使用生物學三重復（每組n=3）。統計學顯著性通過Benjamini-Hochberg校正p值定義，log2倍數變化≥1且padj<0.05。

機制驗證實驗中，Fluo-4 AM活細胞成像顯示熱電刺激迅速升高胞內Ca2?水平（圖6a, b）；Western blot表明電刺激增強Akt和Erk磷酸化（圖6c-e）。使用Ca2?螯合劑BAPTA-AM后，電刺激誘導的Ca2?升高被抑制，Akt和Erk磷酸化消失，劃痕愈合加速效應也完全消除（圖6f-l）。鈣調蛋白抑制劑W-13同樣阻斷了Akt/Erk磷酸化（圖6m-o）。PI3K抑制劑LY294002不僅抑制了Akt磷酸化，也顯著降低了Erk磷酸化，表明在該體系中Erk的激活依賴于PI3K而非經典MAPK通路（圖6p-r）。由此提出機制模型：熱電刺激→Ca2?內流→鈣調蛋白→PI3K-Akt/Erk→促進成纖維細胞遷移與增殖（圖6s）。

圖6 | 熱電刺激激活Ca2?-鈣調蛋白-PI3K-Akt/Erk信號通路促進成纖維細胞增殖和遷移。 （a）空白、ADZ@Lut和ADZ@Lut (+) 條件下Fluo-4染色成纖維細胞內Ca2?的代表性熒光圖像；細胞核用Hoechst復染。（b）Fluo-4熒光強度定量。（c）指定處理下磷酸化和總Akt及Erk的Western blot分析。（d,e）p-Akt/Akt和p-Erk/Erk比值的定量。（f,g）Ca2?螯合劑BAPTA-AM處理后細胞內Ca2?的代表性熒光圖像（f）及相應定量（g）。（h）Ca2?螯合后Akt和Erk磷酸化被抑制的Western blot結果。（i,j）Ca2?螯合后p-Akt/Akt和p-Erk/Erk比值的定量。（k,l）Ca2?阻斷后成纖維細胞劃痕愈合實驗及遷移定量分析。（m-o）鈣調蛋白抑制劑W-13存在下p-Akt/Akt和p-Erk/Erk比值的Western blot分析及定量。（p-r）PI3K抑制劑LY294002處理后p-Akt/Akt和p-Erk/Erk比值的Western blot分析及定量。（s）熱電刺激觸發的Ca2?依賴性信號級聯示意圖：Ca2?內流激活鈣調蛋白，導致PI3K活化，進而使Akt和Erk磷酸化，從而促進增殖和遷移。數據以均值±SD表示（n=4）。統計學顯著性通過單因素方差分析和Tukey多重比較檢驗確定。ns，不顯著；p<0.01，p<0.001，***p<0.0001。

在糖尿病大鼠全層皮膚缺損感染模型中，ADZ@Lut組傷口愈合速度最快，第6天傷口長度降至對照組的41%，第14天愈合率達66.84%（圖7c-e）。H&E染色顯示ADZ@Lut組術后第3天中性粒細胞浸潤明顯減輕（圖7f），第14天新生表皮更連續且更薄，Masson染色顯示膠原沉積更致密有序，皮膚附屬器再生也更完全（圖7h, i）。細菌定量培養證實ADZ@Lut組傷口組織細菌載量顯著降低（圖7g）。在MRSA單獨感染的糖尿病傷口模型中同樣驗證了加速愈合與減輕炎癥的效果（圖7）。

圖7 | ADZ@Lut水凝膠在糖尿病大鼠感染傷口模型中的體內傷口愈合效果。 （a）糖尿病大鼠背部感染性全層皮膚缺損模型建立及治療流程示意圖。（b）ADZ@Lut水凝膠利用皮膚-空氣溫差產生熱電微電流的示意圖。（c）各組在第0、3、6、10、14天的代表性傷口照片。（d）傷口愈合過程的熱圖可視化。（e）各組隨時間變化的傷口閉合率定量曲線。（f）第3天傷口組織的H&E染色代表性圖像，綠色箭頭指示中性粒細胞。（g）第3天傷口組織的細菌載量定量（菌落形成單位計數）。（h）第14天傷口組織的H&E染色代表性圖像，黃色箭頭指示新生表皮。（i）第14天傷口組織的Masson三色染色代表性圖像，紅色箭頭指示皮膚附屬器。樣本量n=6。數據以均值±SD表示。統計學顯著性通過單因素方差分析和Tukey多重比較檢驗確定。ns，不顯著；p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。

免疫熒光與免疫組化分析表明，ADZ@Lut在第3天顯著降低iNOS和髓過氧化物酶表達，升高Arg-1水平，證實其將炎癥微環境從M1型轉向M2型（圖8a-c, e）。第14天，ADZ@Lut組CD31?/α-SMA?成熟血管結構、Ki67陽性增殖細胞及VEGF表達均顯著增加，表明其促進血管新生與細胞增殖（圖8d, f, h-j）。同時，I型膠原沉積增多、III型膠原減少，提示向成熟修復組織過渡（圖8g, k, l）。磷酸化Akt和Erk在傷口組織中也顯著升高，與體外機制一致。生物安全性評估顯示，所有水凝膠提取物均無顯著溶血反應，主要臟器未見病理異常。

圖8 | ADZ@Lut在糖尿病傷口中協調炎癥消退、血管生成和基質重塑。 （a）第3天（炎癥期）的代表性免疫熒光圖像，顯示iNOS（紅色）/CD68（綠色）/DAPI（藍色）和Arg-1（紅色）/CD68（綠色）/DAPI（藍色），以及各組傷口組織中MPO的免疫組化染色。（b,c）iNOS（b）和Arg-1（c）的平均熒光強度定量。（e）MPO表達的平均光密度定量。（d）第14天（增殖期）的代表性免疫熒光圖像，顯示CD31（紅色）/α-SMA（綠色）/DAPI（藍色）、Ki67（紅色）/DAPI（藍色）和VEGF（紅色）/DAPI（藍色）。（f,h）CD31（f）和α-SMA（h）的平均熒光強度定量。（i,j）Ki67（i）和VEGF（j）的平均熒光強度定量。（g）第14天重塑期的代表性免疫熒光圖像，顯示Col I（紅色）/DAPI（藍色）和Col III（紅色）/DAPI（藍色）。（k,l）Col I（k）和Col III（l）的平均熒光強度定量。數據以均值±SD表示（n=6）。統計學顯著性通過單因素方差分析和Tukey多重比較檢驗確定。ns，不顯著；p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。

綜上，該研究提出了一種“熱電-抗菌-抗炎”三重協同策略，通過將離子熱電材料與天然產物木犀草素及Zn2?整合于一個強韌粘附的雙網絡水凝膠中，實現了無需外部電源、僅靠皮膚天然溫差驅動的糖尿病潰瘍修復。與依賴光熱觸發或外源性機械驅動的壓電/摩擦電系統不同，該水凝膠真正實現了自供能，且其離子熱電機制更貼近生理性離子流導電模式。未來通過單細胞多組學與磷酸化蛋白組學進一步解析全傷口水平的細胞類型特異性響應，這一平臺有望拓展至術后感染傷口、壓力性潰瘍等其他難愈合創面的治療。