高延展性和导电性的液态金属基多功能有机水凝胶，用于行为监测和慢性糖尿病伤口治疗

《Materials Today Bio》：Highly stretchable and conductive liquid metal-based multifunctional organohydrogel for behavior monitoring and chronic diabetic wounds treatment

糖尿病创面修复与运动监测多功能导电水凝胶的制备及机理研究。通过Hofmeister效应和溶剂置换策略，以明胶和2,3,4-三羟基苯甲醛为基质，液态金属为功能填料，成功制备了兼具优异机械性能（1.2 MPa模量，400%拉伸率）、高电导率（673.76 S/m）和抗冻特性的Gel-TBA-LM水凝胶。体内实验表明，该水凝胶与电刺激联用可显著促进血管生成（VEGF/ERK通路激活）、巨噬细胞M2极化及神经再生，使糖尿病大鼠创面愈合速度提升50%，胶原蛋白沉积量增加3倍。其自愈特性可在173 ms内恢复导电性，运动监测灵敏度达2.88 GF，抗菌率100%。

　　糖尿病伤口是糖尿病的一种严重并发症，通常由血管生成受损、神经损伤、过度炎症、缺氧和持续感染等多种因素共同作用引起。这些因素不仅严重阻碍了伤口的正常愈合过程，还显著影响了患者的生活质量。近年来，基于导电水凝胶的柔性表皮传感器因其在个人医疗监测和慢性糖尿病伤口治疗中的巨大潜力而受到广泛关注。这种材料可以通过电刺激疗法（ES）与运动行为监测相结合，从而指导临床实践并极大改善治疗效果。本研究中，我们合成了一种具有抗菌、抗氧化和生物相容性的多功能导电水凝胶传感器——Gel-TBA-LM有机水凝胶。该水凝胶以明胶（Gel）和2,3,4-三羟基苯甲醛（TBA）作为基质，以液态金属（LM）作为功能性填料。通过Hofmeister效应和溶剂替换策略，我们有效提升了水凝胶的机械性能和抗冻性能。Gel-TBA-LM有机水凝胶表现出优异的机械性能，包括1.2 MPa的拉伸模量和400%的拉伸率，同时具有高电导率（673.76 S/m）。其测量因子（GF）在0-50%拉伸范围内为0.26，在50-200%范围内达到2.88，这表明其能够灵敏且准确地检测不同关节的运动行为。此外，Gel-TBA-LM有机水凝胶与电刺激的结合能够通过VEGF/ERK通路协调血管生成和巨噬细胞M2型极化，同时维持血管细胞与神经细胞之间的细胞间通讯，从而促进糖尿病伤口的愈合。本研究为开发用于慢性糖尿病伤口修复和个人健康监测的多功能导电有机水凝胶传感器提供了宝贵的参考。

在糖尿病伤口的愈合过程中，内源性电场（EF）通过跨上皮电位梯度生成，这种电场在调节细胞行为和促进伤口愈合与再生方面起着不可替代的作用。受内源性电场的启发，将外源性电刺激应用于伤口可以有效加速愈合过程。已有研究表明，外源性电刺激能够增加局部微循环血流，提高氧气和营养物质的输送效率，同时有助于VEGF的表达和分泌，促进成纤维细胞的增殖和迁移，从而显著提升伤口愈合效率。然而，传统的外源性电刺激需要在伤口表面附近植入电极，这种方式限制了其在大面积伤口上的应用，严重影响了治疗效果。因此，开发一种能够提供广泛电刺激并具备良好机械性能的导电水凝胶材料成为一种有前景的方向。

导电水凝胶因其高灵敏度和多功能特性被认为是可穿戴设备的优秀材料，广泛应用于人类行为监测和伤口治疗领域。导电有机水凝胶能够模仿并增强伤口处的电场，为细胞间信号传递提供导电介质，这对于引导上皮细胞迁移和重建中断的生理电场至关重要。此外，导电水凝胶能够传导外源性电流，促进外部电刺激电流的传递，从而推动血管生成和周围神经功能的恢复。然而，传统的导电材料如金属（Ag、Au、Pt）和碳纳米材料存在固有的刚性、分散困难、界面不匹配等潜在缺陷，限制了导电水凝胶的应用。此外，高水分含量的导电水凝胶在极端环境下，尤其是低于零度的环境中，其电学和机械性能会受到严重影响。为了克服这一问题，甘油可以通过其三个羟基与水分子形成氢键，从而有效抑制低温下冰晶的形成，防止水凝胶的水分蒸发，提高其在极端环境下的适用性。同时，通过Hofmeister效应，离子可以调节水凝胶的电导率和机械强度，显著增强了其在可穿戴和生物医学领域的应用潜力。近年来，液态金属（LM）因其高电导率、良好的可变形性和室温下的流体特性，在先进柔性可穿戴设备的制造中展现出巨大潜力。LM可以被视为一种活性填料，通过引入聚合物网络中以改善水凝胶的机械性能。因此，高度可拉伸和导电的基于LM的有机水凝胶能够解决传统导电水凝胶在导电性和机械性能方面的不足，增强其在极端环境和临床中的适用性。

在本研究中，我们设计了一种新型的高导电性、可拉伸和抗冻的多功能基于LM的有机水凝胶（Gel-TBA-LM），通过Hofmeister效应和溶剂替换策略实现。首先，我们将LM分散在TBA溶液中，通过超声处理使其稳定存在，相较于单独使用水作为溶剂的LM，TBA-LM溶液能够稳定储存至少12小时。随后，将适量的TBA-LM悬浮液与60 wt%的明胶溶液混合，制备Gel-TBA-LM预水凝胶悬浮液。在水凝胶形成过程中，TBA通过其醛基和酚羟基与明胶形成席夫碱反应和氢键作用，同时分散LM并与其Ga³⁺配位，从而改善水凝胶的机械性能。最终，通过冷却预水凝胶悬浮液，并将其浸泡在含有（NH₄)₂SO₄的水/甘油二元溶剂中，实现溶剂替换和盐析。这种处理方式不仅增强了水凝胶的机械性能，还使其在极端低温环境中保持优异的机械和电学稳定性。最终得到的Gel-TBA-LM有机水凝胶具有良好的机械性能（1.2 MPa拉伸模量、400%拉伸率、9.4 MJ m^-3韧性）、稳定的电学性能和高灵敏度，其在0-200%拉伸范围内的测量因子（GF）分别为0.26和2.88，响应时间仅为173 ms。最后，通过检测人体运动，验证了Gel-TBA-LM有机水凝胶的传感性能。体外和体内研究表明，Gel-TBA-LM水凝胶传感器能够有效抑制细菌感染，同时与电刺激结合，通过VEGF/ERK通路协调血管生成和巨噬细胞M2型极化，维持血管细胞与神经细胞之间的连接，从而促进糖尿病伤口的愈合。因此，多功能Gel-TBA-LM导电有机水凝胶在生物电子材料领域具有广阔的应用前景。

为了进一步验证Gel-TBA-LM有机水凝胶的性能，我们对其机械性能进行了系统研究。通过拉伸测试作为参考指标，分析了不同TBA含量和比例、Hofmeister效应和溶剂替换策略对水凝胶机械性能的影响。由于水凝胶中不同相互作用的协同效应，我们设计的物理和化学交联Gel-TBA-LM有机水凝胶表现出优异的机械性能。如图3a所示，所得的Gel-TBA-LM有机水凝胶具有良好的柔韧性和韧性，易于拉伸、打结和弯曲。图3b-c展示了不同TBA浓度对Gel-TBA-LM有机水凝胶拉伸性能的影响。当（NH₄)₂SO₄的浓度选择为30%，LM的含量固定为0.1g/mL时，随着TBA含量从0 wt%增加到5 wt%，拉伸应变逐渐增加，拉伸模量逐渐降低，这是由于席夫碱反应和氢键作用增强了水凝胶的内部交联。当TBA浓度为5 wt%时，应变和韧性分别达到最大值426%和9.4 MJ m^-3（见图S2）。然而，当引入更高的TBA浓度（8 wt%）时，可能会导致水凝胶结构的紊乱，阻碍明胶中三螺旋有序结构的形成，从而导致Gel-TBA-LM有机水凝胶的应变、拉伸模量和韧性持续下降。此外，我们还通过不同TBA与LM质量比来测量水凝胶的机械性能。如图3d-e所示，当TBA浓度固定为5 wt%，LM含量增加时，应力和拉伸模量显著增加，分别达到6 MPa和1.5 MPa。特别是当TBA与LM的质量比达到1:2和1:4时，观察到相似的应变和弹性模量值，分别为426%、0.9 MPa和405%、1.2 MPa。然而，需要注意的是，随着LM的持续添加，Gel-TBA-LM有机水凝胶的断裂伸长率会下降，且当TBA与LM的质量比超过1:8时，韧性会显著降低。这种现象可能归因于高LM含量导致的交联网络过度致密，使水凝胶变得脆性和僵硬。值得注意的是，当TBA含量为5%且TBA与LM的质量比为1:2或1:4时，水凝胶表现出类似皮肤的模量（约1 MPa）。随后，我们选择了TBA含量为5%、TBA与LM的质量比为1:4，并结合Hofmeister效应和溶剂替换策略进行进一步的机械稳定性实验。

为了进一步研究水凝胶的抗疲劳和自恢复性能，我们进行了一系列循环加载-卸载实验。图3i显示，在拉伸应变从100%增加到250%的情况下，Gel-TBA-LM有机水凝胶的耗散能量与应变呈正相关。水凝胶网络中的多种物理相互作用可以有效耗散能量。而在图3j中，连续加载-卸载曲线在100%应变下进行100次循环，未出现停顿，观察到明显的滞后环，表明水凝胶具有良好的能量耗散能力。在第一循环中，部分纠缠的分子链和一些松散的物理交联网络导致较大的滞后环，但在后续循环中，滞后环几乎重合，没有位移和断裂。值得注意的是，经过5次循环后，拉伸应力几乎不变。这种优异的抗疲劳性能来源于水凝胶网络中的动态和可逆相互作用，这些相互作用在连续拉伸变形下发生动态破坏和重组。上述结果表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶能够承受重复的机械应力并保持其稳定的网络结构，显示出出色的自恢复和抗疲劳性能。

接下来，我们评估了Gel-TBA-LM有机水凝胶的电学行为。图4a显示，水凝胶作为导线使LED灯泡发光。当水凝胶处于拉伸状态时，LED灯泡立即变暗，但在卸载应变后恢复到原始亮度。这表明Gel-TBA-LM有机水凝胶具有优异的电导率，其电阻会随着应变的增加而变化，可用于柔性传感器。LM的添加赋予水凝胶高电导率。电导率测量结果表明，不含LM的明胶和明胶-水凝胶表现出较差的导电性，但明胶-LM和明胶-TBA-LM组的电导率随着LM的添加显著提高。此外，图4b显示，Gel-TBA-LM有机水凝胶的电导率随着LM含量的增加而提高，达到最大电导率673.76 S/m。结合机械实验和导电测试的结果，我们选择了TBA含量为5%、TBA与LM的质量比为1:4的Gel-TBA-LM有机水凝胶进行下一步的行为监测和糖尿病伤口治疗实验。

Gel-TBA-LM有机水凝胶的机电行为在图4c中进行了评估，其中电导率随着水凝胶的拉伸迅速增加，这可能归因于拉伸过程中导电网络的局部和可逆中断。我们通过计算相应的测量因子（GF）来评估应变感知灵敏度，GF的计算公式为GF = (ΔR/R₀)/Δε，其中ΔR/R₀表示电导率变化，Δε表示应变变化。Gel-TBA-LM有机水凝胶在0-50%应变范围内GF为0.26，而在50-200%应变范围内GF增加到2.88，表明其在更广的应变范围内具有更高的应变感知灵敏度。此外，快速的响应速度（173 ms）也使其非常适合实时人体运动检测。通过改变测试速度（0.7 Hz-3.0 Hz）和应变（20%-100%），我们评估了应变传感器的实时响应能力（见图S5–S6）。结果表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶能够产生稳定且可重复的ΔR/R₀信号，这表明其作为应变传感器具有良好的响应性和实时性能。为了评估复合材料的耐久性和电学信号的可靠性，我们进行了100%应变下的循环拉伸释放测试。图S7显示了稳定的波形，ΔR/R₀振幅几乎恒定，证实了传感器具有良好的耐久性和可重复性。

糖尿病神经病变常常导致感觉和运动功能障碍，进而影响患者的运动能力、步态异常和平衡问题。此外，神经病变会削弱糖尿病患者对伤口的感知能力，从而阻碍及时有效的反馈和管理。因此，对糖尿病患者进行实时运动行为监测并及时报告运动异常对于有效的伤口管理至关重要。Gel-TBA-LM有机水凝胶凭借其优异的机械性能、良好的电导率和高应变感知能力，显示出在运动检测方面的巨大潜力。为了展示Gel-TBA-LM有机水凝胶在可穿戴传感器中的实际应用，我们将其应变传感器集成到志愿者的不同部位，以评估其在监测身体运动方面的传感性能。当手指经历连续不断的弯曲和恢复时（见图4e），ΔR/R₀信号可以区分不同的手指弯曲程度。因此，通过监测ΔR/R₀信号，Gel-TBA-LM有机水凝胶应变传感器可以实时准确追踪手指弯曲的不同程度。此外，Gel-TBA-LM有机水凝胶应变传感器还可以检测多种其他高度敏感和可重复的人类活动，如手腕弯曲、手部弯曲和膝盖运动（见图4f-h）。此外，通过将传感器贴附在喉咙上，可以有效地监测头部运动引起的颈部肌肉活动（见图4i）。更进一步，Gel-TBA-LM有机水凝胶应变传感器还能对压力作出反应，如手指敲击，产生可重复且稳定的信号（见图4j）。这些结果表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶传感器在健康和运动监测方面具有广阔的应用前景，如创伤关节恢复监测、运动姿势监测和柔性机器人运动监测。

Gel-TBA-LM有机水凝胶还具有良好的自修复、抗冻、吸水、保湿和可回收性。如图5a所示，当水凝胶断裂后，LM滴液可在断裂面上合并，并迅速恢复电导率。为了测试自修复对电导率的影响，我们使用电源连接Gel-TBA-LM有机水凝胶，并通过LED灯泡进行照明。如图5b所示，当水凝胶被切成两段时，LED灯泡熄灭，但在将两段水凝胶重新连接后，LED灯泡立即重新点亮。这表明水凝胶具有良好的自修复性能。此外，我们还评估了水凝胶在极端低温条件下的性能。图5c显示，以水为溶剂的Gel-TBA-LM水凝胶在-18°C下存储12小时后，其弹性会丧失，但在通过二元溶剂和溶剂替换策略制备的水凝胶中，其拉伸性能几乎保持不变。更重要的是，即使在-18°C下存储12小时后，Gel-TBA-LM有机水凝胶仍能保持良好的电导率和传感性能（见图5d）。此外，传感器在冻结后的响应速度仍保持快速（631 ms）（见图5e）。进一步地，我们通过差示扫描量热法（DSC）对水凝胶的抗冻性能进行了定性评估，结果如图S8所示，Gel-TBA-LM有机水凝胶在25°C至-20°C范围内没有表现出任何放热峰，表明其具有良好的抗冻性能。图5f、g显示，Gel-TBA-LM有机水凝胶具有较高的吸水率（122%），而图5h显示，通过溶剂替换策略和二元溶剂制备的水凝胶表现出长期的保湿性能，48小时后其重量达到初始重量的0.91和0.95，相比之下，以水为溶剂制备的水凝胶重量仅为0.71。优异的吸水和保湿性能有助于维持伤口愈合所需的湿润环境。此外，Gel-TBA-LM有机水凝胶可以快速溶解在2 mol L^-1的氢氧化钠溶液中，从而有效回收LM。如图5i-j所示，Gel-TBA-LM有机水凝胶（TBA与LM的质量比为1:4）在4小时内完全降解和溶解，回收率达到97%。

在体外研究中，我们还评估了Gel-TBA-LM有机水凝胶的抗菌、抗氧化和生物相容性。TBA具有与没食子酸相似的化学结构，作为一种天然存在的多酚化合物，表现出多种生物活性，如抗炎、抗氧化和抗菌作用。因此，我们假设Gel-TBA-LM有机水凝胶也具有显著的抗菌活性。为了验证这一假设，我们首先测定了TBA的最低抑菌浓度（MIC）。结果表明，TBA对革兰氏阴性菌大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（S. aureus）的MIC为0.0625 mg/mL（见图S9）。随后，我们进行了不同水凝胶基质与E. coli和S. aureus的共培养实验。结果显示，与明胶组相比，明胶-LM组表现出显著降低的细菌活性，对E. coli和S. aureus的抑制率分别为74%和71%。这归因于LM释放的Ga³⁺破坏细菌代谢，从而杀死细菌。此外，含有TBA的明胶-TBA和明胶-TBA-LM组表现出更显著的抗菌效果，达到100%的抑制率（见图S10）。我们进一步评估了Gel-TBA-LM有机水凝胶的抗菌性能。将Gel-TBA-LM有机水凝胶放置在S. aureus和E. coli的琼脂表面，并在37°C下培养24小时。通过观察抑菌圈的大小来评估Gel-TBA-LM有机水凝胶的抗菌能力，这可视化了其抗菌活性（见图6a）。在含有TBA的水凝胶中，E. coli和S. aureus的抑菌圈直径明显大于对照组。

此外，由于过量的活性氧（ROS）会导致严重的炎症，进而引发对伤口愈合和组织再生不利的有害过程。因此，具有强ROS清除能力的水凝胶敷料可以有效促进伤口愈合。我们通过评估其对1,1-二苯基-2-吡啶基肼（DPPH）和ABTS自由基的清除效果来确定Gel-TBA-LM有机水凝胶的抗氧化性能。如图6b所示，S11，不含TBA的明胶和明胶-LM水凝胶对DPPH和ABTS自由基的清除活性几乎可以忽略。相反，含有TBA的明胶-TBA和明胶-TBA-LM水凝胶表现出持续且显著的清除效果，能够有效清除约99%的DPPH和ABTS自由基。这可能归因于TBA中的多酚基团赋予Gel-TBA-LM有机水凝胶捕获自由基的潜力，从而表现出非常有利的抗氧化能力。

血相容性是水凝胶敷料的基本要求。我们通过血红细胞裂解实验评估了其血相容性，十二烷基硫酸钠（Triton X-100）和生理盐水分别作为正向和负向对照。如图6c所示，Gel-TBA-LM有机水凝胶与红细胞接触1小时后的裂解率低于5%，表明其具有良好的血相容性。同时，Gel-TBA-LM有机水凝胶也表现出良好的细胞相容性，如图6d-g所示的MTT实验和AM/PI染色实验。在与三种不同细胞共培养5天后，细胞生长良好，进一步证明了Gel-TBA-LM有机水凝胶的高细胞相容性。这些结果表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶具有显著的抗菌活性、抗氧化能力和良好的生物相容性，有望成为一种有潜力的伤口敷料。

为了进一步展示电刺激对细胞迁移的促进作用，我们还通过MTT方法研究了不同电压下细胞的存活率（见图S12）。结果表明，直流电压能够促进细胞的增殖和生长。当电压从0.5伏增加到1伏时，细胞显示出一定的生长趋势。然而，当电压超过1伏时，反而会损伤细胞，因此我们选择了1伏的直流电压进行后续实验。在糖尿病患者中，伤口处的高血糖会损伤微血管内皮细胞，导致血管舒张功能障碍和组织缺血。因此，人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的增殖和分化在慢性糖尿病伤口的愈合和修复中起着关键作用。划痕修复实验表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶能够有效诱导HUVECs迁移，且在添加电刺激后迁移率进一步提高（见图7a-b）。同时，体外Transwell实验进一步验证了Gel-TBA-LM有机水凝胶对HUVECs迁移能力的增强作用（见图7c-d）。通过中性红染色实验的结果，我们发现Gel-TBA-LM有机水凝胶与电刺激的结合能够有效增加巨噬细胞的吞噬作用（见图S13），并迅速招募巨噬细胞进行吞噬和清除，在伤口愈合的早期阶段发挥重要作用。

我们还研究了水凝胶对HUVECs、PC12和RAW264.7细胞内ROS水平的影响，使用DHE方法评估了Gel-TBA-LM有机水凝胶系统作为潜在ROS清除平台的治疗效果。如图7e-h所示，在H₂O₂处理组中，荧光强度远高于对照组，表明细胞在与1 mM H₂O₂共培养2小时后产生了大量ROS。而使用Gel-TBA-LM有机水凝胶处理的细胞荧光强度几乎与对照组相同，这与DPPH实验的结果一致。这些数据表明，水凝胶能够有效清除细胞内的ROS，从而在伤口愈合过程中保护细胞免受氧化应激的损害。

这些结果表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶能够有效清除细胞内生成的ROS，从而在伤口愈合过程中保护细胞免受氧化应激的损害。此外，Gel-TBA-LM与电刺激的结合在促进HUVECs的增殖、迁移和分化以及巨噬细胞的吞噬作用方面具有显著潜力，从而加速慢性伤口的愈合。

在体外研究中，我们还评估了Gel-TBA-LM有机水凝胶对巨噬细胞极化和神经轴突生长的调节作用。神经病变与糖尿病患者伤口愈合障碍密切相关。我们通过免疫荧光（IF）实验评估了不同组别PC12细胞（未分化）的神经丝蛋白重链（NF）表达，以检测Gel-TBA-LM有机水凝胶的神经再生能力。如图8a、c所示，Gel-TBA-LM组的NF表达水平显著高于对照组，而在Gel-TBA-LM+ES处理后，NF的表达水平进一步显著增加。结果表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶的高电导率能够有效促进电刺激在细胞间的均匀分布，从而促进神经生长。

糖尿病伤口的免疫功能障碍（抑制巨噬细胞M2型极化）会导致持续的炎症环境，从而延迟或阻止伤口愈合。糖尿病伤口中的持续炎症通常与M1型巨噬细胞的持续促炎效应有关，这些细胞会持续释放促炎因子，如诱导型一氧化氮合酶（iNOS），而M2型巨噬细胞通过分泌抗炎因子（如IL-10）促进伤口修复。为了验证水凝胶在调节体内炎症中的作用，我们进行了不同组别巨噬细胞中炎症标志物的IF分析。在每项实验中，通过添加LPS诱导炎症，然后进行共培养。如图8b-e所示，除了对照组外，所有处理组的促炎（iNOS）和抗炎（IL-10）标志物的表达水平均有所升高。这一结果表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶与电刺激的结合能够招募巨噬细胞并激活早期炎症反应，通过上调促炎标志物并诱导巨噬细胞向M1型极化。同时，进一步上调抗炎标志物有助于巨噬细胞从M1型向M2型极化，从而最终实现免疫微环境的调节和修复。

血管生成、神经修复和免疫调节之间的相互作用在糖尿病伤口愈合中起着关键作用。在糖尿病伤口中，高血糖诱导的氧化应激微环境会抑制HIF-1α的表达，破坏C-JUN/AP-1转录复合物的形成，并减少血管内皮生长因子（VEGF）的合成。VEGF的缺乏进一步降低了ERK1/2的磷酸化水平，并损害了MAPK信号级联反应，最终减少了内皮细胞的增殖和血管生成能力。此外，血管生成的受损会导致关键神经再生基因如GAP43、SYN-1、PSD95和NF的表达减少，从而干扰轴突生长和突触重建，并损害神经-血管相互作用。同时，血管生成的受损还会影响巨噬细胞的募集。VEGF/ERK通路的抑制会阻碍巨噬细胞向M2型的转化，从而减少抗炎因子（如IL-10）的分泌，并失去对血管内皮生长因子的调控，进一步阻碍血管再生。导电水凝胶的三维网络结构可以显著增强伤口部位的氧气扩散、营养物质输送和代谢废物的清除。此外，电刺激可以增强局部微循环血流并提高氧气和营养物质的供应效率。导电水凝胶的应用有助于均匀分布电刺激，这种协同效应可以影响HIF-1α、C-JUN和AP-1的表达。因此，基于VEGF/ERK通路在调节血管生成、神经修复和巨噬细胞M2型极化中的核心作用，我们认为将导电水凝胶与电刺激结合，通过VEGF/ERK通路促进糖尿病伤口修复是一种重要的治疗策略。

为了进一步研究Gel-TBA-LM+ES联合疗法的机制，我们首先通过定量实时PCR（RT-qPCR）分析了HUVECs、PC12和RAW264.7细胞中相关mRNA的表达情况。如图9b所示，Gel-TBA-LM+ES治疗能够有效增加HIF-1α、C-JUN和AP-1的表达。作为上游调控因子，它们协同诱导VEGF和p-ERK1/2的表达，从而影响VEGF/ERK通路，调节细胞增殖和迁移，并促进血管生成。其中，Gel-TBA-LM组水凝胶的三维网络结构和导电性促进了伤口部位的氧气和营养物质交换，并恢复了内源性电场，从而促进了HIF-1α和C-JUN的表达。Gel-TBA-LM有机水凝胶的应用还促进了电刺激的均匀分布。水凝胶与电刺激的协同效应增强了细胞迁移和营养输送效率，这可能也解释了Gel-TBA-LM+ES组中VEGFA、p-ERK1和AP-1的显著增加。此外，我们观察到了轴突和突触相关基因的表达变化（见图9c），其中NF、GAP43、PSD-95和SYN-1在Gel-TBA-LM+ES组中表现出最高表达水平，这表明Gel-TBA-LM有机水凝胶与电刺激的结合具有促进神经修复的能力。此外，Gel-TBA-LM有机水凝胶与电刺激的结合还能够通过调节炎症相关因子的表达发挥免疫调节作用。如图9d所示，Gel-TBA-LM+ES治疗后，M1型巨噬细胞相关基因（iNOS、CD86）的表达被下调，而M2型巨噬细胞相关基因（IL-10、CD206）的表达被上调。这一结果表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶与电刺激的结合促进了巨噬细胞从M1型向M2型的极化，并最终实现了免疫微环境的调节和修复。

我们进一步通过Western blot（WB）实验验证了VEGF/ERK通路的激活效果。如图9e-f所示，Gel-TBA-LM组中VEGFA和p-ERK1/2的表达显著增加，而Gel-TBA-LM+ES组进一步增强了这一效果，表明Gel-TBA-LM+ES的协同治疗能够促进电刺激在细胞间的均匀分布，从而进一步增强细胞间的信号传递和物质交换，有效激活VEGF/ERK通路。

基于这些体外结果，我们进一步在STZ诱导的I型糖尿病SD大鼠中研究了有机水凝胶的伤口愈合能力。如图10a所示，各组在不同时间点的伤口宏观照片显示，Gel-TBA-LM有机水凝胶的优异抗菌和抗氧化性能有效避免了由多次感染和高血糖微环境中过度氧化应激引起的慢性炎症浸润。与对照组相比，电刺激组的伤口愈合速度显著加快，这与先前的研究报告一致，即电刺激可以通过引导和触发与伤口愈合相关的细胞迁移和增殖来促进伤口愈合。在伤口愈合的后期阶段，Gel-TBA-LM组的伤口愈合率高于电刺激组，证实了Gel-TBA-LM有机水凝胶能够模拟皮肤的自然电场，促进细胞间电信号传递，从而在整个愈合过程中加速伤口愈合。在第14天，Gel-TBA-LM+ES组的伤口几乎完全愈合，表明电刺激与Gel-TBA-LM的协同效应能够全面加速糖尿病慢性溃疡伤口的愈合。

表皮化是伤口愈合不可或缺的一部分，也是决定愈合质量的关键因素。我们通过组织学分析（H&E和Masson三色染色）在第3、7和14天进一步评估了伤口愈合的进展和再生皮肤的质量（见图10c-d）。H&E染色图像显示，Gel-TBA-LM+ES组的伤口愈合速度更快，表皮再生更明显。对照组在第14天仍有许多炎症细胞，且表皮厚度与第3天相比差异不大。从第3天开始，其他组的伤口表皮厚度均高于对照组。在第14天，Gel-TBA-LM+ES组与对照组之间的表皮厚度显著差异表明，Gel-TBA-LM有机水凝胶与电刺激的协同效应加速了伤口愈合过程。Masson染色显示所有组的胶原蛋白含量均有所增加。Gel-TBA-LM组的胶原蛋白沉积量高于电刺激组和对照组，而Gel-TBA-LM+ES组在第3、7和14天的胶原蛋白沉积量最高，且胶原蛋白排列更规则，更接近正常皮肤。Gel-TBA-LM+ES组合的卓越伤口愈合效果和显著安全性可归因于Gel-TBA-LM有机水凝胶促进外源性电刺激在伤口表面的均匀分布，从而消除了传统设置中电极边缘的局部高电流密度。此外，水凝胶基质的固有导电性和高水分含量有助于形成稳定的电化学环境，其中热效应可以忽略不计。其柔软性也防止了伤口部位的二次损伤。Gel-TBA-LM+ES能够通过调控细胞活动和其他方法进一步加速组织修复和再生。

为了进一步研究Gel-TBA-LM有机水凝胶在体内的血管生成、神经修复和炎症调节能力，我们进行了免疫荧光染色实验，使用CD31和α-SMA标记体内新生血管（见图11a）。统计血管密度的结果显示，Gel-TBA-LM+ES组的血管密度在第3天到第14天期间逐步增加，而对照组的血管密度则保持较低水平（见图11b）。这一结果表明，Gel-TBA-LM多功能有机水凝胶与电刺激的结合能够显著加速血管生成和伤口愈合。

糖尿病伤口中持续存在的M1型巨噬细胞浸润会导致持续的炎症和氧化应激，从而延缓伤口愈合。在本研究中，M1型巨噬细胞通过F4/80 + iNOS进行标记，而M2型巨噬细胞则通过F4/80 + CD206进行标记。在第3天，Gel-TBA-LM+ES组的M1型巨噬细胞数量高于其他组（见图12c），这表明Gel-TBA-LM有机水凝胶能够迅速促进巨噬细胞向M1型极化。此外，在第7天，Gel-TBA-LM组和Gel-TBA-LM+ES组的M2型巨噬细胞数量显著增加，表明修复阶段已经开始（见图12d）。这些结果表明，Gel-TBA-LM与电刺激的结合能够调控巨噬细胞的免疫反应，迅速招募巨噬细胞，并在伤口初期阶段启动M1型巨噬细胞的转化。它还促进了从M1主导的炎症阶段向M2主导的修复阶段的转变，从而推动整体伤口愈合过程。

为了进一步研究Gel-TBA-LM有机水凝胶对糖尿病伤口炎症的影响，我们检测了促炎因子iNOS和抗炎因子IL-10的表达水平。如图13a-c所示，Gel-TBA-LM+ES组表现出最低的iNOS表达水平和最高的IL-10表达水平，这表明Gel-TBA-LM与电刺激的结合能够降低糖尿病伤口的炎症反应，从而促进伤口愈合。此外，Gel-TBA-LM+ES组在伤口部位的IF中表现出一致的高NF荧光强度（见图13a、d）。这些结果进一步表明，电刺激与Gel-TBA-LM有机水凝胶的结合能够促进神经修复，加速血管生成，并将巨噬细胞极化为M2型，从而全面促进慢性糖尿病伤口的愈合。

此外，我们还通过观察14天治疗后的形态变化来评估Gel-TBA-LM有机水凝胶对器官损伤的潜在影响，以评估其在心脏、肝脏、脾脏、肺部和肾脏中的功能。图S14显示，肝脏和肾脏的功能仍保持在正常范围内，且与对照组相比未观察到任何病理异常。这表明Gel-TBA-LM有机水凝胶在糖尿病慢性伤口治疗中具有良好的生物安全性。

综上所述，本研究通过Hofmeister效应和溶剂替换策略，利用液态金属作为功能性填料，成功制备了Gel-TBA-LM有机水凝胶。该水凝胶表现出优异的机械性能（4.55 MPa压力和426%拉伸率）、高电导率（673.76 S/m）、自修复能力、生物相容性和抗冻性能。高灵敏度（GF=2.88）的Gel-TBA-LM有机水凝胶能够检测广泛的身体活动，用于诊断相关活动和疾病。此外，TBA的引入不仅参与了LM粒子的分散和封装，提高了有机水凝胶的机械性能，还赋予水凝胶良好的抗菌、抗炎和抗氧化性能。为了清楚地展示Gel-TBA-LM有机水凝胶的出色性能，我们将其与其他先前报道的LM水凝胶传感器在八个关键参数上进行了比较，包括拉伸应力、电导率、GF、响应时间、抗冻性、抗菌性、抗炎性和抗氧化性。如图S15所示，我们的材料结合了多种优势，表现出出色的机械性能、高电导率、高灵敏度、抗冻性、保水性、抗菌活性、抗炎性和抗氧化能力。此外，Gel-TBA-LM有机水凝胶与电刺激的结合不仅能够有效增强M1型巨