具有级联催化抗菌性能的双响应性葡萄糖/pH降解纳米酶水凝胶，用于感染性糖尿病伤口的治疗

《Nano Today》：Dual-responsive glucose/pH degradable nanozyme hydrogel with cascade catalytic antibacterial performance for infected diabetic wound treatment

糖尿病伤口感染治疗系统开发及机制研究。基于金属-酚类纳米酶（GZ-TA-VOx）与pH/葡萄糖双响应水凝胶的协同作用，通过葡萄糖氧化酶催化葡萄糖产H2O2和酸化微环境，激活纳米酶的过氧化物酶样活性及光热效应，实现抗菌、抗炎与血管再生协同作用，促进伤口愈合。

　　糖尿病患者的伤口感染常常引发过度的炎症反应，进而导致慢性或无法愈合的伤口。如何有效应对伤口微环境的独特特性，实现精准且安全的治疗，依然是现代医学研究中的重要挑战。本研究提出了一种创新的解决方案，即构建一种新型的胶囊状天然葡萄糖氧化酶（GOx）负载金属-酚类纳米酶（GOx-Zn2?/Cu2?-TA-VOx，简称GZ-TA-VOx），并将其锚定在一种pH值和葡萄糖双响应的可降解水凝胶中，用于管理糖尿病伤口的细菌感染。这种水凝胶由聚乙烯醇（PVA）和苯硼酸接枝的海藻酸钠（SA-PBA）组成，具有组织粘附、自修复和可降解等特性，能够实现药物的可控释放，并通过协同作用增强伤口愈合效果。

GZ-TA-VOx纳米酶表现出高效的过氧化物酶（POD）样和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）样活性，同时具备光热抗菌性能。在该系统中，GOx能够消耗伤口部位的葡萄糖，生成过氧化氢（H?O?）和葡萄糖酸。这一过程不仅有助于改善伤口部位的高血糖状态，还能提升纳米酶的催化活性。此外，纳米酶通过降解谷胱甘肽（GSH），防止过氧化氢（•OH）的分解，从而增强其抗菌效果。在葡萄糖丰富和酸性条件下，水凝胶中的苯硼酸酯键和儿茶酚基团会解离，实现对功能物质的双响应释放。这种特性使得GZ-TA-VOx水凝胶能够根据伤口微环境的变化，动态调整其抗菌和促愈合的能力。

在实际应用中，GZ-TA-VOx水凝胶不仅能够有效缓解炎症，还能促进血管生成和上皮细胞增殖，从而加速伤口愈合。体外和体内实验均表明，该系统在控制细菌感染、改善微环境方面具有显著优势。相比于传统的敷料和抗生素治疗，GZ-TA-VOx水凝胶提供了一种更加高效且具有前景的治疗策略，特别是在应对抗生素耐药性问题时展现出独特价值。

糖尿病是一种普遍存在的慢性代谢性疾病，其发病率每年都在持续上升。预计到2045年，全球糖尿病患者数量将超过7亿。糖尿病患者的伤口感染是其最常见的并发症之一，严重影响其生活质量。糖尿病伤口通常处于高血糖环境中，容易伴随细菌感染、缺氧、血管生成障碍以及促炎细胞因子的过度分泌，这些因素共同作用，导致炎症加剧和伤口愈合困难。在严重情况下，伤口感染甚至可能导致截肢，给患者和社会带来沉重的负担。因此，推动糖尿病伤口的快速和彻底愈合，已成为现代医学研究中的关键课题。

随着糖尿病患者数量的增加，如何有效管理糖尿病伤口成为医疗领域的重要关注点。传统的糖尿病伤口治疗方法主要包括控制血糖水平、手术切除坏死或感染组织、进行皮肤移植以及使用合适的敷料。然而，传统纱布敷料在应对糖尿病伤口的特殊需求方面存在明显不足，特别是在维持湿润的愈合环境、提供强大的抗菌保护以及促进快速组织修复方面。因此，开发更先进的伤口敷料变得尤为迫切。水凝胶因其三维网络结构、优异的药物递送能力、良好的保湿性能以及能够创造支持性愈合环境的特性，被广泛认为是一种有前景的替代材料。然而，传统的水凝胶通常只提供单一功能，难以全面应对糖尿病伤口的复杂问题，尤其是在感染控制方面存在较大局限。理想的敷料不仅需要维持局部湿润环境，还应具备可控药物释放、抗炎和抗菌性能、促进细胞增殖和皮肤再生的能力。因此，迫切需要一种多功能的水凝胶基敷料，以提供最佳的愈合环境并有效解决糖尿病伤口管理中的复杂挑战。

近年来，材料科学的进步推动了纳米复合水凝胶的发展，这是一种新型的智能生物材料，结合了纳米材料的多功能性和水凝胶的优点。其中，纳米酶作为一类合成纳米材料，不仅能够模拟天然酶的催化活性，还具有高稳定性、低成本、易于大规模生产以及广泛临床应用的优势。更重要的是，纳米酶展现出多种酶样活性，能够改善糖尿病伤口的有害微环境。例如，具有过氧化物酶（POD）样活性的纳米酶可以将伤口部位的过氧化氢（H?O?）转化为具有强杀菌能力的羟基自由基（•OH），从而帮助清除细菌。另一方面，具有过氧化氢酶（CAT）样活性的纳米酶可以将H?O?分解为氧气，提供持续的氧气供应，促进细胞的增殖、迁移和血管生成，从而加快糖尿病伤口的愈合过程。因此，利用纳米酶或环境响应型物质来重塑伤口微环境、消除细菌感染，为糖尿病伤口的治疗提供了一种具有潜力的策略。

本研究中，我们开发了一种基于金属-酚类纳米酶的多功能抗菌水凝胶系统（GZ-TA-VOx Gel），该系统结合了纳米酶和水凝胶的优势，用于糖尿病伤口的安全和有效管理（见图1）。该系统采用胶囊状的GZ-TA-VOx纳米酶，这些纳米酶具备酶样催化和光热转换活性，能够协同作用，对抗糖尿病伤口中的细菌感染。此外，GOx的引入有助于改变糖尿病伤口的高血糖微环境，通过将葡萄糖转化为葡萄糖酸和H?O?，降低局部葡萄糖浓度并使伤口部位的pH值下降，从而创造一个酸性环境，进一步激活GZ-TA-VOx纳米酶的催化活性，生成具有强杀菌能力的羟基自由基（•OH）。这些自由基能够高效地清除细菌，促进伤口恢复。同时，合成的GZ-TA-VOx纳米酶还能够消耗GSH，防止•OH的分解，从而增强其杀菌效率。在葡萄糖丰富和酸性条件下，水凝胶中的苯硼酸酯键和儿茶酚基团会解离，使功能物质能够根据pH值和葡萄糖浓度的变化进行双响应释放。这种特性使得GZ-TA-VOx水凝胶能够在动态变化的微环境中，持续释放抗菌和促愈合物质，从而有效减少细菌感染和炎症，加速伤口愈合。与传统敷料和抗生素治疗相比，这种策略在糖尿病伤口护理中展现出显著的优势，特别是在应对治疗效果不佳和抗生素耐药性问题方面，具有广阔的应用前景。

为了实现上述功能，GZ-TA-VOx纳米酶的合成过程经过了优化设计，采用了一种三步反应法。首先，将GOx、2-甲基咪唑（2-MIM）和硝酸锌混合，在室温下通过一锅法合成GOx@ZIF-8纳米颗粒（GZ NPs）。随后，利用单宁酸（TA）对GZ NPs进行蚀刻，形成具有空腔结构的GOx-Zn2?/Cu2?-TA纳米颗粒（GZ-TA NPs）。最后，通过金属-酚类配体相互作用，将VO??与TA结合，同时伴随着部分钒的还原过程，从而构建出最终的GZ-TA-VOx纳米酶。这种合成方法不仅保证了纳米酶的结构稳定性和功能性，还使其具备了良好的生物相容性和可控释放特性。

在GZ-TA-VOx纳米酶的构建过程中，材料的选择和结构设计至关重要。GOx作为一种天然酶，能够高效地催化葡萄糖氧化反应，生成H?O?和葡萄糖酸。这种反应不仅有助于降低伤口部位的葡萄糖浓度，还能调节pH值，为纳米酶的催化活性提供适宜的环境。而ZIF-8作为一种金属有机框架材料，具有良好的热稳定性和结构可调性，能够为GOx提供稳定的负载平台。通过引入TA，我们不仅能够蚀刻ZIF-8结构，形成空腔，还能增强纳米酶的稳定性，使其在复杂生物环境中保持活性。此外，VO??的引入赋予了纳米酶光热转换能力，使其能够在外界光刺激下产生热量，从而破坏细菌的细胞膜，实现抗菌效果。这种多组分协同作用的设计，使得GZ-TA-VOx纳米酶能够在糖尿病伤口的特殊微环境中发挥多重功能，提升治疗效果。

在GZ-TA-VOx水凝胶的构建过程中，我们采用了PVA和SA-PBA的复合体系。PVA是一种具有良好生物相容性和机械性能的高分子材料，能够提供水凝胶的基本结构框架。而SA-PBA则通过苯硼酸基团与PVA形成氢键网络，增强水凝胶的组织粘附性和自修复能力。此外，SA-PBA还具有良好的降解性能，能够在特定的pH值和葡萄糖浓度条件下逐步分解，释放出纳米酶和抗菌物质。这种双响应的可降解特性，使得水凝胶能够根据伤口的愈合进程动态调整其功能，从而提供更加精准的治疗方案。

GZ-TA-VOx水凝胶的多功能性使其在糖尿病伤口管理中展现出显著的优势。首先，其良好的生物相容性确保了在体内应用时不会引发不良反应，为安全治疗提供了保障。其次，水凝胶具备自修复能力，能够在受到机械损伤后自动恢复结构完整性，从而保持其功能的稳定性。此外，其组织粘附性使得水凝胶能够紧密贴合伤口，提高药物的局部浓度，增强治疗效果。在pH值和葡萄糖浓度的双重响应下，水凝胶能够智能地释放抗菌和促愈合物质，适应伤口微环境的变化，提高治疗的针对性和有效性。

在实际应用中，GZ-TA-VOx水凝胶不仅能够有效控制细菌感染，还能通过其抗菌和促愈合的协同作用，改善糖尿病伤口的微环境。例如，纳米酶的光热抗菌作用能够直接破坏细菌的细胞膜，而其催化活性则能够生成具有强杀菌能力的羟基自由基（•OH），从而实现多重抗菌机制。同时，GOx的引入有助于调节伤口的葡萄糖水平和pH值，为纳米酶的催化活性提供适宜的条件。这种多途径的抗菌策略，能够有效应对细菌感染的复杂性，提高治疗的成功率。此外，水凝胶的降解特性使其能够在伤口愈合后逐渐分解，避免长期留置带来的潜在风险，提高治疗的安全性。

除了抗菌功能，GZ-TA-VOx水凝胶还具有显著的抗炎和促愈合作用。在糖尿病伤口的高炎症环境中，纳米酶的催化活性能够有效清除过量的促炎细胞因子，降低炎症反应，从而促进伤口的修复。同时，水凝胶的结构特性能够为细胞提供适宜的生长环境，促进上皮细胞的增殖和迁移，加速伤口的闭合。此外，纳米酶的光热效应能够促进局部血液循环，为伤口愈合提供必要的营养和氧气支持。这种多方面的功能协同，使得GZ-TA-VOx水凝胶在糖尿病伤口管理中具有广泛的应用前景。

在体外和体内的实验中，我们验证了GZ-TA-VOx水凝胶的性能。体外实验表明，该水凝胶能够有效清除细菌，同时减少炎症因子的释放，为伤口提供一个相对安全和稳定的愈合环境。体内实验则进一步证明了该系统的实际应用价值，显示其在促进血管生成、上皮细胞增殖和伤口闭合方面具有显著效果。这些实验结果不仅验证了GZ-TA-VOx水凝胶的多功能性，还为其在临床应用中的可行性提供了科学依据。

此外，GZ-TA-VOx水凝胶的可降解特性使其在治疗结束后能够逐渐分解，减少对周围组织的刺激，同时避免药物残留带来的潜在风险。这种可控降解的特性，使得水凝胶能够适应不同阶段的伤口愈合需求，提高治疗的灵活性和安全性。在伤口初期，水凝胶能够提供持续的抗菌和抗炎作用；而在愈合后期，其降解过程能够释放更多的促愈合物质，进一步促进组织修复。

从临床应用的角度来看，GZ-TA-VOx水凝胶具有重要的意义。它不仅能够有效应对糖尿病伤口的多重挑战，如细菌感染、高血糖、炎症反应等，还能够通过其智能响应特性，实现药物的精准释放和功能的动态调整。这种新型材料的开发，为糖尿病伤口的治疗提供了一种更加高效和安全的解决方案，具有广阔的市场前景和应用价值。

在本研究中，我们还探讨了GZ-TA-VOx纳米酶的合成和表征方法。通过优化反应条件，我们成功制备了具有良好结构和功能的纳米酶，并对其催化活性、光热性能以及响应特性进行了系统评估。这些表征结果不仅验证了纳米酶的性能，还为其在糖尿病伤口管理中的应用提供了理论支持。此外，我们还通过体外实验和体内实验，评估了水凝胶的抗菌、抗炎和促愈合效果，进一步证明了其在临床中的潜力。

总之，GZ-TA-VOx水凝胶的开发代表了一种新型的糖尿病伤口治疗策略。它结合了纳米酶的多功能性和水凝胶的智能响应特性，能够有效改善糖尿病伤口的微环境，减少细菌感染和炎症反应，促进伤口的快速愈合。这种材料的创新设计和应用，不仅为糖尿病伤口的治疗提供了新的思路，还为其他慢性伤口的管理提供了借鉴。未来，我们计划进一步优化该系统的性能，探索其在不同伤口类型中的应用潜力，并推动其向临床转化，以期为糖尿病患者提供更加有效的治疗方案。