中科院上海硅酸盐所刘宣勇团队 Mater. Today：基于压电增强动电效应的超声响应水凝胶促进神经血管再生加速糖尿病创面愈合
糖尿病创面愈合困难是糖尿病患者面临的主要并发症之一。糖尿病创面局部血管坏死、周围神经病变以及细菌感染严重阻碍了创面愈合，开发一种能够抗菌并且促进神经和血管再生的新型创面敷料具有重要的临床意义。细胞膜电位和内源性电场在细胞和组织的代谢与修复中发挥着重要作用，细菌的物质和能量代谢与跨膜电子转移密切相关。设计具有电刺激功能的水凝胶敷料能调节创面的电生理微环境从而促进创面愈合。
近期，中国科学院上海硅酸盐所刘宣勇、邱家军团队与乌镇实验室龚文、姚方周团队合作开发了一种新型超声响应水凝胶，通过压电增强的动电效应实现声电转换，显著促进糖尿病创面神经血管再生从而加速伤口愈合（图1）。该水凝胶由明胶/聚乙烯醇聚合物网络结合铌酸钾钠压电纳米晶体和还原氧化石墨烯构成，具有良好的自愈性、皮肤粘附性和导电性。研究结果表明，该水凝胶在超声作用下可产生电刺激，有效促进内皮细胞血管生成、上调施万细胞神经营养因子的表达并抑制细菌感染，能促进创面组织中神经血管再生，加快创面愈合，这为糖尿病伤口的治疗提供了新思路。相关工作以 An ultrasound-responsive hydrogel with piezoelectric-enhanced electrokinetic effect accelerates neurovascular regeneration for diabetic wound healing为题发表在《Materials Today》。文章第一作者是中国科学院上海硅酸盐所王芳博士。
图1. 水凝胶的声电转换机制和糖尿病伤口愈合示意图。
该工作的主要创新点在于其基于压电增强动电效应的声电转换机制（图2）。根据动电效应理论，超声波在含电解液的多孔水凝胶传播时，声压驱动电解液流动，使固-液界面双电层中的离子沿声波方向移动，从而产生流动电势。无铅压电材料铌酸钾钠因其卓越的压电性能和生物相容性而备受关注。超声刺激诱导铌酸钾钠极化和表面电荷重排，使得水凝胶表面非平衡电荷增加，压电效应与动电效应结合使得水凝胶的超声响应电信号增强。
图2. 水凝胶在超声作用下基于压电增强动电效应产生电刺激。
细胞实验表明，超声响应水凝胶能显著促进施万细胞神经修复相关基因NGF、Calm3和BDNF表达，并促进神经营养因子NGF、BDNF和VEGF分泌,促进内皮细胞成血管及相关基因VEGFR-2、FGF-2和PDGF-B表达（图3）。
图3. 超声响应水凝胶促进神经血管再生进而加速糖尿病伤口愈合。
超声响应水凝胶破坏了细菌膜，抑制细菌能量物质ATP合成，从而有效抑制细菌的增殖（图4），对金黄色葡萄球菌的抗菌率达98.5%，对大肠杆菌的抗菌率也达到95.8%。
图4. 超声响应水凝胶可破坏细菌膜并影响细菌能量代谢从而实现抗菌。
糖尿病大鼠创面模型结果表明，超声响应水凝胶促进了创面组织中神经纤维和新生血管数再生，进而加速了伤口愈合（图5）。
图5. 超声响应水凝胶促进神经血管再生加速糖尿病创面愈合。
这项研究开发了一种新型超声响应水凝胶，通过压电增强动电效应产生电刺激，促进创面组织神经血管再生，加快创面愈合，这为糖尿病创面的治疗提供了新思路。
原文链接：Fang Wang1, Jiajun Qiu1, *, Shiwei Guan, Shuhan Chen, Xiaoshuang Nie, Zhengqian Fu, Fang-Zhou Yao*, Wen Gong*, Ke Wang, Xuanyong Liu*. An ultrasound-responsive hydrogel with piezoelectric-enhanced electrokinetic effect accelerates neurovascular regeneration for diabetic wound healing. Materials Today, 2025。
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.02.003
