双多重刺激响应水凝胶应用于伤口愈合的研究进展

林欣雨，李和霖，苏凤，苏为科，张绮红

（浙江工业大学，长三角绿色制药协同创新中心，杭州 310014）

伤口是正常皮肤在外界致伤因子作用下所导致的损害，常伴有皮肤完整性的破坏以及一定量正常组织的丢失[1]。根据愈合时间的长短可以分为急性伤口和慢性伤口，根据伤口及软组织的解剖深度分为浅伤、半层伤和全层伤；根据受伤的原因分为机械性或创伤性伤口、热损伤和化学性损伤伤口、溃疡性伤口、放射性损伤伤口[2]。伤口愈合过程包括止血、炎症、增殖和重建[3]。止血是身体对损伤的一种及时反应，血小板聚集和纤维蛋白凝块的形成，合使血液在几分钟内停止流动[4]。在炎症期，伤口部位出现局部释放的生长因子（GFs）和细胞介质将中性粒细胞和单核细胞等炎症细胞，因此产生的炎症反应目的是清除异物、细菌和受损的内源性组织[5]。在炎症末期阶段，巨噬细胞GFs诱导成纤维细胞和上皮细胞增殖并迁移到创面[6]。在增殖期（创面形成2～3 d 内），形成新的血管，开始合成增强的胶原纤维，由上皮细胞、成纤维细胞和角化细胞构成肉芽组织[7]。在重塑阶段，胶原蛋白的产生和分解趋于平衡，一些皮肤附属物，如头发、汗腺和皮脂腺可能会再生，渐渐形成功能性皮肤或半/非功能性疤痕组织[8]。

水凝胶是由聚合物链组成的三维网络结构，由结合点连接，在水中膨胀至热力学平衡，因其较好的亲水性在组织工程和再生医学中广泛应用于合成仿生结构[9]。刺激响应性水凝胶是一种可以对周围环境微小变化而产生较大物理化学变化的水凝胶，如降解、溶胶-凝胶相变及形态改变等[10]。与传统水凝胶相比，刺激响应性水凝胶拥有空间、时间上的敏感性，用其材料制作的产品具有多重、可变、可控等性能[11]。根据刺激的环境因素不同可分为物理刺激响应如温度响应、光响应、压力响应、电响应和磁响应等；化学刺激响应如pH 响应、氧化还原响应和离子响应等[12]；生物化学响应如糖响应、酶响应、盐响应等[13]。

基于水凝胶的伤口敷料是伤口护理中最有前途的材料之一，满足了所需敷料要求，包括保持伤口湿润的同时吸收大量渗出液，敏感下层组织的无粘连覆盖，）通过对红肿伤口的冷却从而减少疼痛，对伤口愈合过程的积极干预的潜力[14]。

但因机体内环境复杂和疾病发展的不确定性，单一的刺激响应水凝胶体系不能完全满足治疗的需要，因此研究双重或多重刺激响应水凝胶体系，不仅可以在一定程度上优化材料性能，还能更好地应对机体环境的变化所带来的治疗不确定性，还能根据不同的病理环境，选择合适的响应性水凝胶作为药物的释放体系从而达到精准治疗。

本文根据刺激环境的不同，对双重或多重刺激响应的水凝胶在创口愈合中的应用进行介绍。

1 pH、温度双重响应性水凝胶

温度和pH 是人体重要的理化因素，正常完整的皮肤自然呈酸性，pH 在4～6，皮肤损伤时，由于微血管的渗漏，创面的pH 增加，在7.5～8.9，接近细菌感染的生理pH引起炎症，导致伤口愈合时间延长[15]。然而在创面重建期阶段，慢慢恢复创面的酸性环境从而减少表面微生物有利于伤口愈合[16]。伤口因其炎症反应局部温度会略高于正常温度，而温度过高有利细菌的生长和伤口感染[17]。所以根据伤口表面pH和温度变化设计的刺激响应的水凝胶，可以有效加速伤口愈合。

ROSSELLA等设计了1种由两亲性聚醚聚氨酯（CHP407）制 备 温 度 和pH 响 应 水 凝 胶（PCHP407）的方法，主要是利用大分子二醇的两亲性和通过等离子体处理暴露羧基基团，从而使合成的聚醚氨基甲酸乙酯能够具有温度和碱性pH双重响应性的水凝胶。碱性pH诱导的水分子与暴露的羧基基团的相互作用能有效负载布洛芬，其释药性能明显高于CHP407。此外，P-CHP407 水凝胶具有良好的生物相容性，在碱性pH 下，PCHP407水凝胶增强了布洛芬的传递动力学，具有作为治疗慢性感染伤口的智能输送系统的潜力[18]。

HANIF 等通过N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸交联，并负载超微银纳米颗粒（AgNPs）制备1 种pH 和温度双重刺激响应的水凝胶，在酸性pH 下（pH＜5）Ag+释放受到限制，在碱性pH（＞7.4）下显著促进Ag+离子释放（＞90%释放量），pH在4或5.5时杀菌作用最弱，而pH在7.4和10时可以杀灭95%病原体。该水凝胶能够有效清除金黄色葡萄球菌感染，显著加快伤口愈合速度[19]。

2 基于葡萄糖响应的双重响应性水凝胶

糖尿病患者的伤口愈合是极具挑战的，当血液中的葡萄糖升高时，糖尿病患者皮肤组织的含糖量也随之上升，外界大量的细菌和真菌就会在伤口中滋生，另外糖尿病患者的自身免疫能力差，非常容易出现局部感染的情况[20]。因此，基于葡萄糖响应的水凝胶可以根据体内血糖的变化从而对伤口作出反应，从而加速伤口愈合。

ZHAO等采用苯硼改性壳聚糖、聚乙烯醇和苯甲醛负载聚乙二醇，通过席夫碱和苯硼酸酯交联制备pH和葡萄糖双响应可注射水凝胶。在水凝胶中加入胰岛素和L929，因其发生原位交联可以通过pH、葡萄糖刺激触发药物从水凝胶中释放，从而促进糖尿病创面新生血管和胶原沉积，促进创面愈合过程[21]。

LIANG 等基于席夫碱与苯硼酸酯的双动力键，构建了pH、葡萄糖双响应二甲福明释放黏连增强自愈易去除、抗菌、抗氧化、导电、止血多功能苯硼酸和苯甲醛双功能聚乙二醇-聚甘油癸二酸/二氢咖啡酸和精氨酸共接壳聚糖（PEGS-PBABA/CS-DA-LAG）水凝胶包扎剂，证明PEGSPBA-BA/CS-DA-LAG 水凝胶可以通过减少炎症和促进血管生成促进II 型糖尿病足模型的创面愈合，对慢性运动性糖尿病伤口的愈合具有促进作用，为II型糖尿病足的治疗提供了一种局部特异性药物双反应释放策略[22]。

高含量的葡萄糖、高水平的基质金属蛋白酶9(MMP-9)、长期的炎症构成了糖尿病创面的特殊创面环境。ZHOU等以聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖接枝苯基硼酸（CS-BA）为材料，通过负载胰岛素（INS）和含有塞来昔布的明胶微球（GMs@Cel），设计并构建了葡萄糖和MMP-9 双响应温度敏感形状自适应水凝胶（CBP/GMs@Cel&INS）[23]。

此外，水凝胶在体温（约37 ℃）通过液体状的性质填充了较深的伤口，在室温（约25 ℃）形成具有固体状的弹性水凝胶，可以保护伤口免受外力的伤害，通过温度敏感形状适应特性和双响应系统的协同作用有效促进创面愈合。

3 基于活性氧响应的双重响应水凝胶

活性氧（ROS）是细胞内有线粒体产生具有较高氧化活性的一类自由基，伤口或细菌感染产生的ROS 会阻碍伤口的愈合，因此通过制备活性氧清除型水凝胶可以有效降低伤口表面ROS 水平，从而促进创面愈合[24]。

SHI 等以苯硼酸改性透明质酸（HA-PBA）和植物源多酚单宁酸（TA）为原料，以硼酯动态共价键为基础，制备了1种新型动态水凝胶。该水凝胶在温和条件下快速凝胶化，并且可以实现负载蛋白分子的pH和ROS响应性释放，具有高自由基的抗氧化性能和清除活性氧的能力，对慢性伤口的愈合具有促进作用[25]。

WANG 等将3-羧基苯基硼酸接枝到明胶分子骨架上，与聚乙烯醇交联，负载万古霉素偶联银纳米团簇（VAN-AgNCs）和尼美舒利（NIM）的pH敏感胶束，合成了具有pH、ROS双重响应的炎症反应性载药水凝胶。该水凝胶具有良好的注射性和流变性，可以通过增强止血、抗菌和抗炎性能来加速细菌感染糖尿病伤口的愈合[26]。

HU等通过将苯基硼酸接枝到藻酸聚合物侧链上，并负载抗生素阿米卡星（AM）和抗炎药物萘普生（Nap），得到了1种具有低pH和高ROS的高特异性双响应水凝胶。该水凝胶对金黄色葡萄球菌的抑制率达到90%，对铜绿假单胞菌的抑制率达到98%，并且在酸性条件下，抗炎药Nap能24 h从ROS 反应胶束中控制释放，可以显著促进感染创面的愈合[27]。

4 基于光响应的双重响应性水凝胶

基于光的光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）在预防伤口感染和促进伤口愈合方面显示出巨大的应用前景[28]。将光响应基团引入pH、温度和氧化还原等响应性水凝胶中可制成基于光响应的双重响应性水凝胶，对于伤口愈合具有更为灵活的治疗方式。

JIN等研究发现适度调节创面部位的血管化和免疫微环境可以实现皮肤无瘢痕愈合。该研究以MXene 负载纳米纤维（MNFs）为核心，多巴胺-透明质酸水凝胶（H）为外壳（MNFs@V@H@DA）包裹血管内皮生长因子（VEGF）和硫化氢供体（二烯丙基三硫醚(DATS)），制备了1种核壳结构的促血管生成、防疤痕创可贴。硫化氢从这个系统中持续释放产生H2S，它会成功诱导巨噬细胞极化成M2型，调节免疫微环境，抑制伤口部位的过度炎症反应。此外，通过调节近红外（NIR）光暴露时间，MXene 纳米纤维骨架可以释放适量的VEGF，防止创面部位过度新生血管和细胞外基质沉积，这种近红外光热反应创可贴通过梯度控制血管化和受损皮肤组织的相关免疫顺序反应实现了无疤伤口愈合[29]。

YU 等研究了1 种用于伤口敷料的低成本低温凝胶。该冷冻凝胶仅由天然成分组成，以壳聚糖/丝素作为支架，单宁酸、铁离子（TA/Fe3+）作为光热治疗的刺激响应剂。基于多种弱氢键和金属配体配位，该低温凝胶具有良好的柔韧性和可恢复性，其多孔结构具有很强的吸湿性，可以吸收血液止血。因TA/Fe3+络合物的高光热转变活性，使得该低温凝胶对革兰氏阴性菌和阳性菌均表现出良好的抗菌活性。此外，低温凝胶可以有效地根除伤口上的微生物，加速伤口愈合过程，具有良好的创面敷料应用前景[30]。

5 多重刺激响应水凝胶

伤口愈合过程涉及人体内环境的变化，包括pH、温度、生长因子等等，单一刺激响应水凝胶往往不能达到预期的效果，多重刺激响应水凝胶可以较好的应对内环境的变化，对急性伤口和慢性伤口均有加速愈合的作用[31]。

HAN 等采用共价和离子双交联的方法制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺)/角蛋白双网络（PNIPAAm/角蛋白DN）凝胶，该凝胶的膨胀率可达角蛋白含量的2 600%～4 600%，具有良好的组织液吸收能力。通过分析负载抗菌药物醋酸氯己定（CHX）的释药性能，该水凝胶具有pH、温度和ROS多种响应特性，并且该凝胶具备较好的组织再生能力，适合用于临床伤口治疗[32]。

目前用于创口愈合的水凝胶大多数只适用于浅表创面，而对于深度损伤的慢性创面愈合仍然具有挑战[33]。YANG等设计了1种基于MXene的智能水凝胶给药系统，具有光、磁多种响应能力和可控的药物传递能力，适用于深度创面治疗，由MXene 包裹磁性胶体和聚(N-异丙基丙烯酰胺)-海藻酸盐双网络水凝胶组成，并负载银纳米粒子（AgNPs），在近红外和交变磁场（AMF）条件下，系统温度迅速升高，从而可控地触发AgNPs的释放[34]。该水凝胶不仅有较好的细胞相容性和生物实用性，还可以减少药物毒副作用，促进创面愈合。

6 总结与展望

双多重刺激响应水凝胶因其具有良好的生物相容性和多种智能响应性能广泛用于创口愈合。伤口愈合过程中，会发生由酸性到碱性再到酸性的变化过程，局部伤口温度升高，因细菌感染ROS 含量会上升，并且对于糖尿病患者，伤口处的葡萄糖含量会有一定程度的增加，双多重响应水凝胶可负载药物满足智能给药并有效抑制细菌生长，从而促进伤口愈合，具有良好的临床应用前景。

目前所设计开发的水凝胶主要是单一刺激响应的水凝胶，主要是针对伤口的pH、温度或者ROS 含量等某一种特定变化做出应答，在一定程度上促进伤口愈合，但是功能性较为单一。与单一刺激响应水凝胶相比，双重或多重刺激响应水凝胶可以对2个或者多个环境变化做出反应，更好地满足伤口愈合过程的多样化需求，但是大多数双重或多重刺激响应水凝胶主要用于浅表创面的治疗，对于深度损伤的慢性伤口因其创面较大，细菌感染风险较大，应用具有一定的挑战性。因此，从材料角度出发，可以深度研究创面愈合机制，设计开发多重刺激响应水凝胶以满足不同类型的创面的需求，从而使水凝胶在伤口愈合方面有更广阔的应用前景。