针对上述问题，东华大学刘宣勇研究员、中国科学院上海硅酸盐研究所邱家军研究员和复旦大学中山医院李建锐、上海交通大学医学院临床药学院廖赟主任药师合作开发了一种序贯离子释放水凝胶（GPP@ZnBG），通过动态适应糖尿病伤口微环境实现分阶段治疗。该水凝胶由苯硼酸修饰明胶（Gel-PBA）/聚乙烯醇（PVA）交联网络掺杂锌离子（Zn2+）和生物活性玻璃（BG）构成，可在病理性的高糖/活性氧（ROS）环境下响应性降解：早期通过苯硼酸酯键断裂触发Zn²⁺快速释放并激活BG，同时BG溶解释放的碱性微环境诱导Zn²⁺部分沉淀为Zn(OH)2，既避免了Zn²⁺突释导致的细胞毒性，又保留了抗菌功能；随着水凝胶进一步降解，局部环境逐渐酸化，促使Zn(OH)2和BG持续共释放Zn²⁺、Ca²⁺和SiO₃^2-，实现晚期促血管生成和组织重塑。通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）深入解析其分子机制，并在细胞、动物和临床层面系统验证了该序贯离子递送策略的治疗效应，为慢性伤口的精准治疗提供了可行的新方案。该文章于2026年4月1日以《Self-regulating hydrogel for diabetic wound healing: From animal models to a pilot clinical study》为题发表于《Science Advances》（DOI：10.1126/sciadv.aed4981）。

（1）GPP@ZnBG水凝胶的制备与表征

GPP@ZnBG水凝胶的制备流程见图1A。明胶（Gel）经4-羧基苯硼酸（PBA）酰胺化反应合成Gel-PBA，FTIR光谱在1340 cm^-1（B-O伸缩振动）、1088 cm^-1（C-B伸缩振动）和1538 cm^-1（苯环伸缩振动）处出现特征峰（图1B）；¹H NMR在7.58-7.75 ppm处出现苯硼酸苯环质子峰（图1C），证实Gel-PBA合成成功。光学图像和"切割-愈合"实验显示该水凝胶具有自修复性能（图1D）。FTIR分析显示GPP水凝胶在3000-3600 cm^-1处出现宽吸收带（O-H伸缩振动），且硼特征峰从1340 cm^-1移至1325 cm^-1，证实苯硼酸酯键形成（图1E）。流变学测试表明，GPP、GPP@Zn、GPP@BG和GPP@ZnBG的G’与G’’交点分别出现在833%、833%、573%和573%应变处（图1F）；在0.01-100 Hz频率范围内，G’始终大于G’’，1 Hz时四组水凝胶的G’分别为989、4270、10,800和8820 Pa（图1G）。SEM显示四组水凝胶均呈三维多孔网络结构，但GPP@BG和GPP@ZnBG的孔径减小、密度增加（图1H），归因于BG释放的碱性离子稳定了苯硼酸酯键，且SiO₃^2-、Ca²⁺与Gel的-COOH基团产生静电作用形成更致密的交联网络。EDS mapping证实GPP@ZnBG中C、O、Ca、Si和Zn元素均匀分布（图1I）。

图1. GPP@ZnBG水凝胶的制备与表征。(A) GPP@ZnBG水凝胶构建过程示意图；(B) 明胶、苯硼酸、明胶-苯硼酸复合物的傅里叶红外光谱；(C) 明胶与明胶-苯硼酸复合物的氢核磁共振谱；(D) GPP@ZnBG水凝胶的自修复性能；(E) 明胶-苯硼酸复合物、GPP水凝胶的红外光谱；(F) 应变1~1000%范围内，GPP、GPP@Zn、GPP@BG、GPP@ZnBG水凝胶的储能模量与损耗模量；(G) 频率0.01~100赫兹区间内，四种水凝胶储能模量与损耗模量变化曲线；(H) 四种水凝胶的扫描电镜形貌图；(I) GPP@ZnBG水凝胶主要元素分布及同区域扫描电镜形貌图。

（2）模拟糖尿病微环境下GPP@ZnBG水凝胶的体外降解与离子释放动力学

GPP@ZnBG水凝胶的降解与离子释放机制见图2A。在模拟糖尿病微环境（含葡萄糖和/或H₂O₂的PBS）中，GPP@ZnBG水凝胶48 h降解率分别为：单纯PBS组62.95±1.46%、葡萄糖PBS组70.10±1.93%、H₂O₂ PBS组68.00±1.93%、葡萄糖/H₂O₂ PBS组78.95±5.26%（图2B），葡萄糖和ROS促进苯硼酸酯键解离从而加速降解。离子释放动力学显示，SiO₃^2-和Ca²⁺14天累积释放量分别为133.23±32.31 μg/ml和130.65±0.66 μg/ml（图2C）。短期（12 h）Zn²⁺释放浓度为2.42±0.04 μg/ml，显著低于GPP@Zn水凝胶的25.26±0.08 μg/ml（图2D），归因于BG降解产生的碱性微环境促使部分Zn²⁺沉淀为Zn(OH)₂。长期（14天）Zn²⁺释放呈持续上升趋势：第1天为2.44±0.02 μg/ml，第10天升至2.56±0.02 μg/ml，第14天达3.03±0.02 μg/ml（图2E），后期水凝胶基质降解释放酸性基团（-COOH）导致Zn(OH)2解离，实现Zn²⁺的持续释放。各组水凝胶12 h后pH值分别为：GPP 5.84±0.08、GPP@Zn 5.69±0.11、GPP@BG 8.07±0.17、GPP@ZnBG 7.94±0.03（图2F），BG的加入使体系呈弱碱性。XRD图谱证实GPP@ZnBG水凝胶中存在Zn(OH)₂（图2G）。

图2. 模拟糖尿病微环境中GPP@ZnBG水凝胶的体外降解与离子释放动力学。(A) GPP@ZnBG水凝胶降解及离子释放过程示意图；(B) 有无25毫摩尔葡萄糖、100微摩尔过氧化氢的磷酸盐缓冲液中，水凝胶降解变化趋势；(C) 含25毫摩尔葡萄糖与100微摩尔过氧化氢的氯化钠溶液内，14天周期中水凝胶硅酸根、钙离子释放曲线；(D)(E) 上述溶液体系中，12小时、14天时长下GPP@Zn与GPP@ZnBG水凝胶的锌离子释放曲线；(F) 氯化钠溶液及四类水凝胶体系的酸碱度变化；(G) 四种水凝胶的X射线衍射图谱。

（3）复合水凝胶可控释放治疗性离子，体外实现促血管生成作用

在H₂O₂诱导的人脐静脉内皮细胞（HUVECs）氧化应激模型中，H₂O₂组细胞存活率降至51.41±0.51%；经GPP、GPP@Zn、GPP@BG和GPP@ZnBG水凝胶处理后，存活率分别提升至89.80±3.23%、79.98±1.15%、93.34±4.47%和81.44±2.47%（图3A、B）。DCFH-DA探针检测显示，各水凝胶组细胞内活性氧（ROS）荧光强度较H₂O₂组显著降低（图3C）。划痕实验显示，GPP@Zn、GPP@BG和GPP@ZnBG组HUVECs迁移率分别为26.04±5.73%、29.67±7.80%和32.98±1.28%，均高于对照组（图3D、E）。体外管腔形成实验表明，GPP@Zn、GPP@BG和GPP@ZnBG组的节点数（图3G）和网格数（图3H）均显著增加（图3F）。qRT-PCR结果显示，GPP@ZnBG组血管内皮生长因子（VEGF）和I型胶原（Col I）表达上调（图3I、J）。京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，GPP@ZnBG组调控了包括NF-κB信号通路、TNF信号通路、AGE-RAGE信号通路以及缺氧诱导因子1（HIF-1）信号通路在内的20余条通路（图3K）；qRT-PCR证实NF-κB基因表达下调（图3L）。基因本体论（GO）分析显示，DEGs在生物学过程中主要与缺氧和白细胞调节相关，在细胞组分中主要涉及膜、突触间隙和细胞外基质，在分子功能中主要调控CXCR趋化因子受体结合、前列腺素跨膜转运蛋白活性、趋化因子活性和糖胺聚糖结合（图3M）。

图3. 复合水凝胶调控治疗性离子释放，发挥体外促血管生成作用。(A) 各组处理、过氧化氢刺激后人脐静脉内皮细胞活死染色图；(B) 细胞存活率；(C) 活性氧荧光染色图；(D) 各组条件培养基诱导的细胞迁移形貌图；(E) 细胞迁移定量分析；(F) 条件培养基培养7天的内皮细胞管腔形成结果；(G) 管腔节点数量定量统计；(H) 网状结构数量定量统计；(I) 共培养后人脐静脉内皮细胞血管内皮生长因子mRNA表达水平；(J) 成纤维细胞I型胶原蛋白mRNA表达水平；(K)(L) 对照组与GPP@ZnBG组差异表达基因的KEGG通路、GO功能富集分析；(M) 共培养后细胞内核因子κB蛋白表达量。

（4）GPP@ZnBG水凝胶的体内抗菌活性及感染创面修复性能

体外抗菌实验显示，与金黄色葡萄球菌共培养12 h后，GPP@ZnBG组抗菌率达96.22%（图4A、B）；与大肠杆菌共培养12 h后，GPP@ZnBG组抗菌率为83.08%（图4A、C）。金黄色葡萄球菌对Zn²⁺更敏感，而大肠杆菌因外膜结构需BG辅助才能实现有效抑制。SEM观察显示GPP@ZnBG组细菌数量显著减少且结构严重受损（图4D）。金黄色葡萄球菌感染小鼠伤口模型中，第10天各组伤口闭合率分别为：对照组79.33%、GPP组92.50%、GPP@BG组95.17%、GPP@Zn组94.27%、GPP@ZnBG组97.60%（图4E-G）。细菌计数显示GPP@Zn和GPP@ZnBG组无细菌菌落，体内抗菌率达100%（图4H、I）。免疫荧光显示GPP@ZnBG组第10天CD31表达显著升高（图4J、K），Col I和Col III显著上调（图4L、M），提示其具有增强的血管生成能力和细胞外基质重塑能力。

图4. 体外抗菌活性及金黄色葡萄球菌感染创面修复效果评价。(A) 四组水凝胶作用下大肠杆菌、金黄色葡萄球菌琼脂平板菌落图；(B)(C) 各组水凝胶对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抑菌率；(D) 菌体微观形貌观测图；(E) 金黄色葡萄球菌感染创面动物实验时间流程示意图；(F) 不同时间点各组创面外观照片；(G) 创面愈合率定量统计；(H) 各组创面菌落平板成像图；(I) 体内抑菌率检测结果；(J) 术后第10天创面组织免疫荧光染色；(K)(L)(M) CD31、I 型胶原、III 型胶原阳性区域占比量化分析。

（5）时序可控释放治疗性离子促进创面愈合：从糖尿病动物全层皮肤缺损模型到临床难治性溃疡

糖尿病小鼠伤口模型中，第10天各组伤口愈合率分别为：对照组73.5%、GPP组83.5%、GPP@BG组95.3%、GPP@Zn组92.8%、GPP@ZnBG组99.0%（图5A-C）。对照组第5天即出现生物膜形成，而各水凝胶组无红斑或感染迹象。免疫荧光显示GPP@ZnBG组第3天和第10天CD31表达均显著高于其他各组（图5D、E）；Col I在第3天和第10天均显著上调（图5F）；Col III在第3天最高，第10天GPP@ZnBG和GPP@Zn组均显著升高（图5G）。前瞻性随机单中心临床研究纳入符合标准的10例患者。治疗期间对照组2例脱落，第4周共9例、第8周共8例完成随访。8周随访期间，两组均无溃疡复发，肝肾功能指标均在正常范围，未报告治疗相关不良事件。第4周治疗组伤口面积平均相对缩小94.57%（n=5），对照组为68.99%（n=4）（图5H、I）。第8周治疗组4例（80%，n=5）实现完全愈合，对照组2例（66.67%，n=3）完全愈合；治疗组5例（100%）和对照组3例可评估患者（100%）均达到>75%伤口愈合率，两组50%愈合率趋势相似。

图5. 时序可控释放治疗性离子促进创面愈合：从糖尿病动物全层皮肤缺损模型到临床难治性溃疡。(A) 糖尿病创面修复效果评价动物实验时间流程示意图；(B) 各组创面愈合动态形貌图；(C) 创面愈合率统计；(D) 损伤后第3、10天创面组织免疫荧光染色；(E)(F)(G) CD31、I 型胶原、III 型胶原阳性区域定量分析；(H) 临床受试创面用药前后愈合状态对比；(I) 第2、4、6、8周创面面积缩减率。

（6）水凝胶调控糖尿病创面中成纤维细胞行为的作用机制研究

对糖尿病小鼠第10天伤口组织进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），经质量控制、降维和Seurat聚类分析，共鉴定出21个转录差异细胞簇（图6A），注释为中性粒细胞、巨噬细胞、T/NK细胞、内皮细胞、角质形成细胞、上皮细胞和成纤维细胞（图6B），各簇前4个标志基因见热图（图6C）。成纤维细胞亚群二次聚类鉴定出7个亚型（Fibro_0至Fibro_6）（图6D）。GPP@ZnBG组成纤维细胞比例显著高于对照组，其中Fibro_1亚型在GPP@ZnBG组显著富集（图6E）。Fibro_1高表达C3、Gas6、Dpp4和Sfrp4（图6F），提示其具有免疫调节潜力并在炎症调控和组织修复中发挥双重作用。Hallmark通路富集分析显示，Fibro_1在缺氧、TNF信号和血管生成相关通路显著富集（图6G），表明GPP@ZnBG水凝胶可能通过调控TNF信号网络及炎症反应加速糖尿病伤口愈合。

图6. 单细胞测序分析揭示GPP@ZnBG介导糖尿病创面修复过程中成纤维细胞重编程。(A) 糖尿病小鼠创面组织单细胞亚群（0~20簇）的均匀流形分布图；(B) 依据经典标志物表达注释得到主要细胞类型的均匀流形分布图；(C) 各细胞类型排名前四的特征基因热图；（D) 对照组（左）与GPP@ZnBG处理组（右）成纤维细胞亚群分布图谱；(E) 组成纤维细胞各亚群占比柱状图；(F) 各成纤维细胞亚群高表达前四基因热图；(G) 特征通路富集分析，展示不同成纤维细胞亚群活化通路差异。