研究背景
严重烧伤创面常伴随大量渗出、感染及组织损伤，不同愈合阶段的治疗需求存在差异：早期需控制感染与炎症，后期则需促进血管生成和组织重建。然而，现有水凝胶敷料多侧重功能集成，治疗因子的释放时序与创面修复进程缺乏匹配。因此，在保障敷料基本性能的同时，实现治疗因子的阶段化、序贯化递送，是严重烧伤修复亟待解决的关键问题。
研究亮点
近日，大连理工大学精细化工国家重点实验室、智能材料前沿科学中心贺高红教授和姜晓滨教授团队在生物材料领域权威期刊《Biomaterials》发表题为“Spatially programmed hydrogel dressing enables phase-matched sequential ion release for accelerated severe burn repair”的研究论文。
该研究通过空间限域逐层光聚合策略，构建了一种空间程序化水凝胶敷料（SPHD）。通过将Ga³⁺和Fe³⁺分别定域固定于不同功能层，实现了由螯合作用与空间结构协同调控的程序化释放，使离子释放动力学与创面愈合阶段相匹配。丰富的亲水基团及动态儿茶酚–硼酸酯网络赋予该水凝胶良好的溶胀性能、回弹性、自愈能力和组织黏附性。其pH/温度双响应特性可通过可逆金属配位和聚合物构象转变，适应创面微环境的动态变化。分层结构设计使不同离子的释放过程与创面愈合需求相协调：内层在16 h内快速释放Ga³⁺，以抑制炎症期的细菌感染；外层则在96 h内持续释放Fe³⁺，通过激活脯氨酰羟化酶，促进增殖期的胶原合成与血管生成。分子动力学模拟进一步揭示了不同离子的特异性扩散能垒及其阶段匹配释放机制。在小鼠深Ⅱ度烧伤模型中，SPHD使创面在12 d内达到96%的闭合率，并显著促进表皮屏障修复和新生血管形成。本研究为程序化创面管理提供了新的设计范式，同时构建了一个可拓展至再生医学领域的通用智能化递送平台。
图文解析
图1 空间编程水凝胶敷料的制备与阶段匹配释放设计。
研究通过依次刮涂与光聚合两种预聚液，并利用第一层表面残余双键完成界面二次交联。Ga³⁺优先服务于早期感染与炎症控制，Fe³⁺在后续阶段促进胶原合成、血管生成和组织重塑，使“空间分区”转化为“时间有序”的治疗输出。
图2 SPHD的吸液、力学、自修复、黏附与透湿性能。
SPHD内部丰富的—OH、—NH₂和—COO⁻等亲水基团使其能够在40 min内达到超过400%的溶胀率，有利于快速吸收创面渗出液。材料的拉伸强度可达600 kPa，断裂伸长率达到900%；动态儿茶酚–硼酸酯键和氢键能够在变形过程中耗散应力并发生可逆重构，使材料在接触12 h后实现宏观自修复，经历2000次循环拉伸后仍未出现明显开裂或结构失效。在黏附性能方面，SPHD在玻璃和手套表面的剥离强度分别达到18和10 N·m⁻¹，并可在−40～35 ℃范围内保持对猪皮的稳定黏附。其水蒸气透过率在连续7 d内稳定维持在约1700 g·m⁻²·d⁻¹，有助于排出多余水汽，降低渗出液积聚和创缘浸渍风险，为序贯离子治疗提供稳定的敷料载体和适宜的创面微环境。
图3 Ga³⁺/Fe³⁺阶段匹配释放及其分子机制。
单侧扩散实验表明，靠近创面的Ga³⁺可在16 h内较快释放，为炎症期的感染控制和炎症调节提供早期干预；位于外层的Fe³⁺则表现出超过96 h的持续释放特征，更好地覆盖创面修复的增殖阶段。两种离子释放速率的差异来源于层间扩散路径与离子–聚合物配位作用的协同调控。分子动力学模拟进一步显示，Ga³⁺与聚合物链的平均配位距离约为4.2 Å，形成的配位结构相对疏松；Fe³⁺与含氧基团的平均配位距离约为3.0 Å，表现出更强的静电作用和螯合倾向，因此其扩散速率更低。通过调节羧基密度、功能层厚度和交联剂含量，还可进一步调控两种离子的动力学差异。此外，温度升高和偏碱性环境均可加快离子释放，体现了SPHD对创面微环境变化的响应能力。
图4 SPHD对典型创面致病菌的抑制作用。
平板计数和OD₆₀₀检测结果表明，负载金属离子的SPHD-A、SPHD-B及完整SPHD均可显著抑制金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生长，对两种细菌的抑菌率均超过80%，而不含金属离子的SPHD-NM仅表现出有限的抑菌作用，说明Ga³⁺和Fe³⁺是材料发挥抗菌功能的主要活性组分。以金黄色葡萄球菌为代表的扫描电镜观察进一步显示，金属离子负载水凝胶处理后，细菌表面出现明显皱缩、变形和结构破坏。这些形貌变化提示，带正电的金属离子或水凝胶功能基团可能通过与带负电的细菌表面发生界面作用，损害细胞膜完整性并抑制细菌增殖，从而为烧伤修复早期提供感染控制能力。
图5 小鼠深Ⅱ度烧伤模型中的创面修复过程。
在小鼠深Ⅱ度烧伤模型中，SPHD的贴敷方向改变了Ga³⁺和Fe³⁺与创面的相对位置，并由此产生阶段依赖的修复差异。第3天，Ga³⁺优先释放的SPHD-1组创面闭合率达到52.56%，较SPHD-2组的44.43%提高8.13%，表明早期Ga³⁺释放有利于感染和炎症微环境的快速调控。随着创面进入增殖阶段，SPHD-2组延迟释放Fe³⁺的优势逐渐显现。第9天，其创面闭合率达到87.92%，高于SPHD-1组的81.54%、商业敷料组的73.72%和空白对照组的61.01%。至第12天，SPHD处理组的创面闭合率最高接近96%，整体优于商业敷料和空白对照。上述结果表明，治疗因子的释放顺序及其与创面修复阶段的匹配程度，会直接影响不同时间窗口内的治疗效果。
图6 创面组织学与再生相关标志物分析。
组织学分析进一步验证了阶段匹配治疗的优势。第7天，SPHD-1组IL-6阳性率降至12.6%，较对照组的41.67%降低约30%；其残余创面长度和肉芽组织厚度分别缩短至1.848和0.353 mm，均明显低于对照组。同时，Masson染色显示该组胶原阳性面积达到32.4%，表明早期炎症得到抑制后，创面已较快进入组织再生过程。第15天，SPHD-1组残余创面长度仅为0.015 mm，胶原阳性面积达到49.4%，并呈现出更完整的再上皮化结构和更加致密、有序的胶原纤维排列。CD31和CK14染色进一步显示，创面微血管网络及表皮基底层结构趋于正常。上述结果从炎症调控、胶原重建、血管生成和表皮再生等多个层面，支持Ga³⁺/Fe³⁺序贯释放促进烧伤修复的作用。
总结与展望
该研究借鉴梯度功能材料的空间设计思想，通过层间扩散路径和离子特异性配位作用的协同调控，实现了Ga³⁺/Fe³⁺治疗功能由“空间分区”向“时间序贯”的转换。与依赖外部光热刺激或复杂载体结构的递送策略相比，SPHD无需额外触发设备，仅通过相对简洁的双层结构即可获得与炎症期—增殖期相匹配的释放动力学，同时兼具快速吸液、稳定透湿、组织黏附、抗疲劳、自修复和抗菌等性能，为复杂烧伤创面的程序化管理、定制化修复提供了新的材料设计思路。该平台具有模块化拓展潜力，未来可进一步用于Cu²⁺/Zn²⁺等其他生物活性离子组合，或与感染创面治疗策略协同。
通讯作者简介
姜晓滨，大连理工大学化工学院教授/博导，化工学院副院长，辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室主任，国家级高层次青年人才，国家重点研发计划青年科学家项目负责人。在AIChE J、Adv. Funct. Mater、ACS Nano、Engineering、Biomaterials、J. Membr. Sci等期刊发表SCI论文80余篇，授权中、美、日等国发明专利20余项；担任《化工学报》编委、《Engineering》青年编委，全球华人化工学者研讨会理事、中国化工学会首届青年工作委员会副主任委员。
贺高红，大连理工大学教授，精细化工全国重点实验室主任，智能材料化工前沿科学中心执行主任。国家杰出青年基金获得者，国家有突出贡献专家，中国化工学会会士、常务理事，两次获得国家科技进步二等奖（2018年、2010年）及中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖（2017年、2009年），获得侯德榜化工科学技术奖，中国发明专利金奖，第十五届中国专利优秀奖，2017日内瓦国际发明展览会特别嘉许金奖等，辽宁省教学名师，辽宁省优秀专家。主持完成（在研）国家自然科学基金、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金石油化工重点项目、国家攻关项目、国家863计划项目、辽宁省博士启动基金和自然科学基金以及横向课题80余项。团队获批科技部重点领域创新团队、辽宁省高等学校创新团队、辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室和辽宁省工业挥发性有机污染物综合治理及利用工程技术研究中心。
第一作者介绍
刁计波，大连理工大学化工学院博士研究生。主要研究方向：多功能高分子材料与柔性传感器件的构筑及性能调控。以第一作者在Biomaterials、Chem. Eng. Sci.等期刊发表论文2篇，以共同作者发表学术论文6篇， 撰写专利3篇。
