基于光合作用的双层气动微针贴片：慢性深部伤口治疗的创新方案

《Cell Biomaterials》：Photosynthesis pneumatic patch promoted deep-wound healing

本文介绍的（CS - MNs）系统，结合产氧蓝藻和芝麻素，为慢性伤口治疗带来新希望。

　　### 基于光合作用的双层气动微针贴片：慢性深部伤口治疗的创新方案
慢性深部伤口，尤其是穿透脂肪层的伤口，由于持续缺氧、炎症以及治疗手段难以深入作用等问题，给临床治疗带来了巨大挑战。现有基于氧气的疗法，如释氧生物材料和纳米载体，无法在所需深度提供持续的氧合作用。在此背景下，一项研究开发出了一种基于光合作用的双层气动微针贴片，将产氧蓝藻与芝麻素相结合，为深部伤口愈合提供了新的解决方案。

引言

非愈合伤口已成为全球公共卫生领域的重大挑战，在糖尿病、慢性溃疡和压疮等病症中尤为突出。这些伤口常伴有深部组织损伤，病理特征复杂，不仅增加了治疗难度，还严重降低了患者的生活质量。传统的外部治疗方法难以有效到达深部受损组织，治疗效果有限。深部伤口频繁影响皮下脂肪组织的完整性，而目前的研究和临床治疗对脂肪层的再生和功能恢复关注不足，这成为提高深部伤口治疗效果的关键瓶颈。

深部伤口愈合受多种因素影响，其中缺氧问题尤为显著。伤口局部血液循环受损导致氧气供应不足，形成持续的缺氧环境。缺氧不仅抑制细胞代谢活动，阻碍成纤维细胞增殖和胶原蛋白合成，还会延迟新血管的形成。此外，缺氧会加剧局部炎症反应，增加氧化应激，进一步破坏组织结构和细胞功能，阻碍伤口修复，因此改善局部氧气供应迫在眉睫。近年来，新兴的氧疗策略虽展现出一定潜力，但仍面临诸多挑战，如持续氧气输送、精准靶向以及临床应用兼容性等问题。

除了解决缺氧问题，脂肪组织的再生和功能恢复对于深部伤口治疗也至关重要。脂肪组织不仅是主要的能量储存库，还能通过分泌脂联素（ADP）等生物活性分子调节伤口微环境和血液循环。然而，现有治疗方法在激活脂肪组织功能方面效果有限，阻碍了深部伤口的修复。近期的脂肪干细胞疗法和血管生长因子治疗虽有潜力，但在复杂病理环境中实现精准递送和长期疗效仍面临困难，脂肪组织功能的动态调节仍是当前研究的重点和挑战。

为应对这些挑战，研究人员开发了一种创新的双层气动力微针系统，将产氧蓝藻与芝麻素相结合，专门用于治疗深部脂肪层伤口。该系统利用蓝藻的光合作用能力实现持续供氧，并通过外部光照精确控制氧气释放，克服了传统氧疗策略在释放深度和可持续性方面的限制。同时，首次将芝麻素引入伤口治疗，利用其调节脂肪细胞分泌 ADP 的能力，增强脂肪组织的代谢功能，改善局部血液循环，优化深部伤口的修复过程。气动力微针系统能够实现氧气和治疗药物的协同精准递送，其推进动力学不仅改善了伤口微环境，还显著增强了治疗药物向深部皮下组织的渗透，有效解决了传统技术在深部组织治疗方面的局限性。

结果

1. 蓝藻 - 芝麻素双层气动微针的制备与细菌活性验证
   蓝藻 - 芝麻素双层气动微针（CS - MNs）结合了蓝藻的产氧特性和芝麻素的治疗功能，能有效改善深部伤口的缺氧环境，促进伤口愈合。该系统可将药物深入输送到皮下组织，尤其是难以触及的脂肪层，克服了传统治疗的局限性。在制备过程中，选择合适的材料以确保微针的机械强度和生物相容性，同时优化微针的几何形状和尺寸，以保证其穿透能力和药物递送效率。将蓝藻和芝麻素有效嵌入微针并保持其生物活性和功能至关重要。研究设计了一种双层微针结构，蓝藻嵌入内层，在光照刺激下产生大量氧气，不仅为伤口部位提供持续的氧气供应，改善局部微环境，还能驱动外层芝麻素的释放，进一步促进伤口愈合过程。芝麻素作为一种天然植物化合物，在调节脂肪细胞功能方面具有重要作用，能有效刺激脂肪细胞产生 ADP，促进脂肪细胞增殖，增强抗炎反应，对深部伤口修复至关重要。
   为评估双层微针的结构稳定性和功能，研究人员进行了一系列表征和测试。通过数字显微镜和扫描电子显微镜观察微针的形态特征，结果显示加载蓝藻的微针（C - MNs）与传统微针相比，外部形态无明显变化，表明微针具有良好的形态稳定性。测试针尖端的机械强度，发现断裂力约为 2N，满足微针穿透皮肤的最小力要求，确保了实际应用中的足够机械强度。
   蓝藻的活性是 CS - MNs 系统治疗潜力的核心，研究人员使用荧光染料对 C - MNs 进行染色，通过荧光显微镜和共聚焦层扫描显微镜观察发现，微针内的蓝藻活性保持在 80% 以上。此外，研究还评估了微针在室温（20°C）和 4°C 储存 48h 内蓝藻活性的变化，发现蓝藻在室温下能保持较长时间的活性，而低温环境更有利于蓝藻活性微针的长期保存，这为其在临床伤口治疗中的潜在应用提供了有力支持。
2. 光可控制蓝藻释放氧气，成为气动力氧微针的开关
   蓝藻因其通过光合作用产氧的能力，在医学应用中受到越来越多的关注，其产氧能力在增强治疗策略，尤其是在伤口愈合和组织再生领域具有潜在价值。将蓝藻与微针介导的药物递送等其他治疗方法相结合，可进一步优化伤口愈合过程，降低感染风险。通过将活性蓝藻整合到微针中，可在伤口部位持续释放氧气，改善缺氧环境，同时产生的气动力还能驱动负载药物向深部组织递送。由于蓝藻独特的光合特性，这种氧气递送过程可以光为开关进行精确调控。
   为更精确地控制 C - MNs 的氧气释放并探索最佳产氧条件，研究人员对蓝藻溶液和加载蓝藻的微针在不同光照条件下的产氧过程进行了全程跟踪。发现自然光照条件（约 12h 光照 / 12h 黑暗）下，蓝藻溶液的氧气产量和产率均显著高于连续光照（24h 光照）和黑暗条件。因此，确定了 C - MNs 应用的光照策略为 12h 光照 / 12h 黑暗，以模拟自然光照条件。进一步选择两种光照强度（32W/m2 和 88W/m2）评估蓝藻的氧气产量和产率，结果表明 32W/m2 的条件更有利于蓝藻产氧。推测这可能与光照强度对蓝藻光合效率的影响有关，较高的光照强度可能引发光饱和或光抑制，降低光合效率，影响氧气产生，同时强光可能导致系统温度升高，使蓝藻无法在最佳温度条件下进行光合作用，从而抑制氧气产生。
   在确定最佳控制条件后，研究人员构建了单微针浸泡在模拟体液中的实验，实时监测 C - MNs 在最适光照控制条件下的产氧过程。发现 C - MNs 在接触模拟体液后约 1 - 5h 进入最佳产氧期，此时氧气产量和产率均达到峰值，为微针在伤口愈合中的临床应用提供了重要的理论支持。
3. C - MNs 气体穿透深度的表征
   C - MNs 的主要功能之一是在伤口部位释放氧气，改善局部微环境，尤其是在缺氧的伤口区域。评估氧气能够穿透组织的深度至关重要，因为这直接影响治疗效果，决定了氧气是否能有效到达深部组织，而这对于伤口愈合过程至关重要。研究以氧气为标记，使用不同厚度的猪皮，通过透皮测试装置结合连续气体监测系统，测量 C - MNs 在模拟体液中通过不同厚度皮肤的氧气浓度，以此研究其气体穿透深度。
   结果显示，C - MNs 的氧气穿透率随皮肤厚度的增加而降低，但在 5mm 猪皮中的氧气穿透效果仍强于纯蓝藻溶液在 2mm 猪皮中的效果。为研究 C - MNs 在临床应用环境中的氧气穿透效果，设计了基于小鼠的体外实验。将氧气微电极插入小鼠皮下不同深度的组织中，检测受 C - MNs 影响的皮肤组织微环境中的氧气水平变化。氧气电极监测了皮肤表面以下 100 - 1,000μm 范围内氧气浓度随时间的变化以及相应的产气速率变化。实验结果表明，C - MNs 能够有效穿透不同厚度的皮肤组织，即使在较厚的皮肤区域，也能保持较高的氧气穿透能力，为其在伤口愈合中的临床应用奠定了基础。
4. C - MNs 药物递送性能的表征
   C - MNs 具有出色的产氧能力和透气性，这些特性对于确保其在临床环境中的高效功能，增强伤口愈合和组织再生的治疗效果至关重要。然而，大量氧气的存在不仅改善了缺氧环境，产氧过程还会在微针的半封闭环境中自然产生压力，加速外层可溶性聚乙烯醇（PVA）层的溶解，促进嵌入药物向更深组织层的释放。因此，进一步验证双层微针中的产氧是否能有效增强药物释放，对于评估药物穿透深部组织的能力是否提高至关重要。
   研究人员设计了使用罗丹明染料代替芝麻素的微针制备方案，在体外模拟和跟踪药物释放过程。制备了两种不同的微针：加载罗丹明和蓝藻的微针（RC - MNs）以及仅加载罗丹明的对照微针。将两种微针插入猪皮中，进行 12h 光照以控制产气过程。24h 后，通过共聚焦激光扫描显微镜跟踪染料的穿透深度。结果显示，加载蓝藻的产气微针能够将模拟药物的染料递送到皮下组织 1,000μm 以下的深度，在 450 - 900μm 等更深的组织层中，药物的扩散范围显著扩大，与未加载蓝藻的微针相比有明显差异。这表明蓝藻产生的大量氧气分子在相对封闭的微针环境中频繁进行随机热运动，不断碰撞接触表面和微针壁，产生持续压力，促进了药物的穿透。为直接直观地监测这种气体压力，研究人员设计了一种检测装置，将超薄压力传感器放置在双层微针的内外层界面处，连接外部监测器检测压力变化，发现压力增加的时期与最佳产气时间一致，最大压力达到 0.05N。这些结果表明，C - MNs 不仅具有强大的产氧能力，还能有效利用产生的气体压力促进深部组织药物递送。
   此外，为验证系统的长期稳定性和有效性，特别是其持续药物释放能力，研究人员将微针结构中的罗丹明替换为小分子天然药物芝麻素，应用于猪皮。48h 后收集猪皮组织，使用高效液相色谱法测量表皮和皮下组织层中的药物保留量。结果表明，该系统的长期药物递送稳定性可靠，在更深的皮肤层中的递送效果优异，为 C - MNs 在临床治疗中的广泛应用奠定了坚实基础。
5. 芝麻素通过诱导脂肪细胞产生 ADP 促进伤口愈合的机制
   脂联素是脂肪细胞分泌的一种内源性生物活性肽，在不同组织和细胞中发挥多种作用，如改善胰岛素敏感性、发挥抗炎作用、预防动脉粥样硬化等。缺乏 ADP 的小鼠伤口愈合和角质形成细胞再上皮化延迟，而 ADP 治疗可加速伤口愈合。芝麻素作为一种天然植物衍生的化合物，已被报道可通过激活皮下脂肪细胞上的 ADP 受体，显著增强 ADP 的分泌，从而在促进伤口愈合中发挥积极作用。
   为验证芝麻素的这种愈合机制，研究人员在体外培养小鼠 3T3 - L1 前脂肪细胞，并进行与 ADP 对前脂肪细胞增殖和迁移影响相关的功能分析。使用经典的 “激素鸡尾酒” 方法建立 3T3 - L1 前脂肪细胞分化模型，并进行伤口愈合实验评估 ADP 对细胞迁移的影响。结果显示，施加一定浓度（50μg/mL）的芝麻素 6h 后，细胞增殖和迁移能力显著增强，伤口愈合面积明显减小。这表明芝麻素可能通过增强脂肪细胞分泌 ADP，激活相关信号通路，提高细胞迁移能力。进一步进行免疫荧光实验检测 3T3 - L1 细胞表面 ADP 受体（AdipoR1/2）的表达，结果显示芝麻素处理导致 AdipoR1/2 受体蛋白的激活水平更高，进一步证实了芝麻素在促进细胞增殖和迁移中的作用，为芝麻素增强脂肪细胞功能及其在伤口愈合中的应用提供了理论支持。
6. 蓝藻 - 芝麻素双层气动微针（CS - MNs）治疗效果的验证
   传统治疗糖尿病伤口的方法常因治疗深度不足、缺氧、炎症和感染等问题，导致愈合缓慢且效果不佳。为解决这些问题，研究开发了一种双层气动微针系统，将产氧蓝藻与芝麻素相结合。该微针系统在光照刺激下，蓝藻产生氧气，产生的推进力将芝麻素深入递送到皮下组织。蓝藻持续释放的氧气改善了局部缺氧环境，芝麻素调节代谢和抗炎反应，刺激脂肪细胞产生 ADP，促进细胞增殖，加速伤口愈合。
   为验证该微针系统在糖尿病伤口模型中的治疗效果，研究人员通过链脲佐菌素（STZ）注射诱导小鼠建立非愈合糖尿病伤口模型。在腹腔注射 STZ 48 和 72h 后，使用葡萄糖测试条测量血糖水平，确认建模成功。在小鼠背部使用组织打孔器创建大小和形状相似的圆形伤口，以便对愈合过程进行定量分析。设立了五个实验组：未治疗的糖尿病对照组（control）、芝麻素治疗组（sesamin）、加载芝麻素的微针组（S - MNs）、蓝藻 - 芝麻素双层气动微针组（CS - MNs）和加载蓝藻的微针组（C - MNs）。
   在整个治疗过程中，定期监测伤口直径和愈合进展。结果显示，CS - MNs 组的伤口直径减小最为显著，结痂更快，整体愈合效果最佳。治疗后对小鼠外周血进行血液检测，发现 CS - MNs 组血清中的 ADP 水平最高，有力支持了 CS - MNs 在治疗非愈合糖尿病伤口方面的临床潜力。芝麻素和氧气的结合在治疗糖尿病非愈合伤口中显示出显著的协同效应。氧气不仅改善了伤口环境，还为微针系统提供驱动力，加速芝麻素的深部释放。通过将药物推向更深的皮下组织，芝麻素能够更直接有效地作用于伤口的难愈合区域，显著提高了糖尿病伤口愈合的速度和质量。进一步对小鼠皮肤组织进行免疫荧光实验，检测组织切片上 ADP 受体（AdipoR1/2）的表达，结果显示用芝麻素治疗的组（如 sesamin、S - MNs 和 CS - MNs 组）AdipoR1/2 受体蛋白的激活水平更高，证实了双层气动微针系统促进芝麻素向皮下脂肪细胞的深部递送，刺激其分泌 ADP，进而促进伤口愈合。
   该微针贴片具有可扩展性，在各种临床环境中具有广泛的适用性。研究人员在另一种标准伤口模型中进行了全面验证，发现该微针系统能够有效促进伤口愈合，显著减小伤口面积，缩短伤口愈合时间，加速伤口上皮化。这表明该微针系统不仅在糖尿病慢性伤口模型中有效，在一般伤口愈合中也显示出有前景的治疗效果，为临床伤口修复提供了一种新的有效治疗平台。

讨论

研究提出了一种新型的双层气动微针系统（CS - MNs），旨在增强深部伤口愈合，特别是涉及脂肪层的伤口。该系统利用产氧蓝藻和芝麻素，解决了深部伤口治疗中面临的缺氧和组织再生不足等挑战。微针内层的蓝藻在光照刺激下产生氧气，改善局部微环境，减少缺氧，并作为驱动力促进外层芝麻素的释放，促进深部组织愈合。光合作用过程使研究人员能够通过光开关控制这一过程。芝麻素作为植物衍生化合物，刺激脂肪细胞产生 ADP，增强脂肪组织功能，增加血液供应，调节炎症，是有效伤口愈合的关键因素。
双层微针的设计旨在提供持续的氧气释放，同时促进芝麻素向皮下组织（包括脂肪层）的深部递送，这是传统外部治疗难以到达的区域。微针中的蓝藻产生足够的气体（最大推力为 0.06N），驱动微针穿透和药物递送至皮肤表面以下 1,000μm 的深度。在自然光照条件（12h 光照 / 12h 黑暗）下，光调节的氧气释放优化了氧气产生，进一步增强了系统的治疗效果。研究表明，微针能够有效穿透不同厚度的皮肤，包括 5mm 的猪皮，具有显著的氧气穿透能力，这对于愈合深部缺氧伤口至关重要。微针不仅提高了伤口部位的氧气水平，还促进了芝麻素的深部递送，刺激脂肪细胞活性，增强脂肪层的愈合。在使用糖尿病非愈合伤口小鼠模型的临床前研究中，CS - MNs 显著加速了伤口愈合，减少了炎症，改善了组织再生，突出了该系统在临床深部伤口治疗中的潜力。
为了提高 CS - MNs 系统的临床转化潜力，评估其与现有伤口愈合治疗相比的经济可行性是一个重要方向。该微针系统采用可扩展的制造技术，包括广泛使用的微针阵列制造方法，确保与当前生产线的兼容性。使用源自天然来源的蓝藻和芝麻素有助于降低材料成本，同时确保良好的生物相容性和安全性。此外，光控释放机制不仅提高了给药精度，优化了治疗效率，还可能减少治疗频率，从而降低整体医疗成本。现有伤口愈合治疗方法，如 hydrogel dressings 和氧气释放绷带，在经济效益、临床转化和制造可行性方面存在一些局限性。这些方法通常由于复杂的制造过程和昂贵的原材料而导致生产成本高昂，并且需要频繁应用，增加了治疗成本。它们的有效性还受到短期氧气供应的限制，难以有效治疗深部或慢性伤口。此外，生产中对专用设备和材料的需求阻碍了它们的可扩展性和广泛的临床应用。相比之下，CS - MNs 系统在持续氧气释放和深部药物穿透方面的优势可能为长期治疗提供一种新的解决方案，特别是在成本效益方面。
未来研究中，优化双层微针的设计<