点击数：0 2026年02月03日
最近，四川大学制革清洁技术国家工程实验室周加境、蒋和金团队在《Journal of Controlled Release 》期刊上发表了含有共生微生物的生物3D打印敷料以供氧，并进行抗菌治疗以促进糖尿病伤口愈合的文章。糖尿病慢性伤口因高血糖、持续炎症和细菌感染而愈合延迟，这在全球范围内引起了极大关注。目前的治疗方法（如手术清创、减压治疗、抗生素治疗）通常针对个别因素，但未能调节复杂的伤口微环境，尤其是慢性缺氧。光合作用微生物与抗菌益生菌之间的共生关系为这一临床挑战提供了独特的方法。本研究中，我们通过将小球藻（Chlorella zofingiensis）和枯叶芽孢杆菌（Bacillus subtilis)嵌入甲基丙烯酰化明胶（gelatin methacryloyl GelMA）中，设计了一种 3D 打印的生物活性微生物水凝胶（bioactive microbial hydrogel BMH）敷料，作为一种人工共生系统，调节糖尿病创口微环境以促进伤口愈合。该 BMH 系统展现出光合作用的自我供氧能力和强效抗菌活性，从而在高血糖条件下促进成纤维细胞迁移和血管生成。在糖尿病大鼠模型中，BMH 减轻伤口缺氧和炎症，同时促进血管形成和胶原蛋白沉积，从而加速糖尿病慢性伤口的愈合。RNA 测序结果进一步表明，免疫调控和皮肤再生通路中基因的上调。本研究提出了糖尿病慢性伤口的多模式治疗策略，为再生工程和临床转化的活体材料设计提供了见解。
要点一：研究背景与核心问题：糖尿病慢性伤口因高血糖、持续炎症、细菌感染及慢性缺氧等多重因素导致愈合延迟，传统单一疗法难以调控复杂的伤口微环境，治疗效果有限。
要点二：核心创新方案：开发了一种 3D 生物打印的生物活性微生物水凝胶（BMH）敷料，将小球藻（CZ）和枯草芽孢杆菌（BS）嵌入甲基丙烯酰明胶（GelMA）中构建人工共生系统。该敷料兼具可定制结构、良好生物相容性和透光性，能为微生物提供适宜生存环境。
要点三：关键功能与效果：CZ 通过光合作用实现自供氧，缓解伤口缺氧；BS 分泌抗菌代谢物，抑制致病菌（如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌），二者形成共生循环（BS 分泌的营养物质促进 CZ 生长，CZ 产生的氧气助力 BS 增殖）。体外实验显示其能促进高糖缺氧条件下成纤维细胞迁移和内皮细胞血管生成；体内糖尿病大鼠模型中，12 天伤口愈合率达 89.85%，接近健康大鼠水平，且胶原沉积、血管新生显著增强，炎症明显减轻。
要点四：作用机制：通过多维度调控伤口微环境发挥作用，包括缓解缺氧、抑制细菌感染、减轻炎症反应；转录组分析表明，其还能上调角蛋白家族（Krt）、趋化因子受体（Cxcr1）等基因表达，强化皮肤再生和局部免疫防御通路。
图 1：BMH 系统治疗糖尿病慢性伤口的制备流程及作用机制示意图
（a）BMH 系统的制备流程；（b）BMH 中的 CZ 和 BS 通过产氧和抗菌作用调控伤口微环境；（c）BMH 通过在伤口部位持续产氧和抗菌，加速糖尿病伤口愈合；（d）BMH 在糖尿病伤口愈合过程中调控皮肤再生和局部免疫防御的分子机制。
图 2： BMH 系统的材料特性与培养情况
（a）明胶、GelMA 及 UV 照射后 GelMA 的傅里叶变换红外光谱（FTIR）；（b）光交联前后 GelMA 的流变学特性；（c）不同打印结构的 BMH 实物图；（d）BMH-BC（含 CZ 和 BS 的 BMH）从第 0 天到第 7 天的数码照片；（e）BMH-BC 培养 0-7 天的光学显微镜图像；（f）BMH-BC 培养 0-7 天的叶绿素相关吸光度（OD665 和 OD435）；（g）BMH-BC 在第 0 天和第 7 天的荧光图像；（h）第 7 天 BMH-BC 中 CZ 和 GFP 标记 BS 的 3D 荧光分布；（i）第 7 天 BMH-BC 系统的扫描电子显微镜（SEM）图像（绿色代表 CZ，黄色代表 BS）；（j）7 天培养期间 BMH-BC 的产氧能力；（k）BMH-BC 对金黄色葡萄球菌形成抑菌圈的数码图像；（l）金黄色葡萄球菌菌落图像；（m）金黄色葡萄球菌菌落计数。数据以平均值 ± 标准差（s.d.）表示（n=5），统计分析采用双尾 Student's t 检验，****p<0.0001。
图 3：BMH 缓解缺氧和高糖诱导的成纤维细胞及内皮细胞功能抑制
（a）不同条件下培养 24 小时的 L929 细胞活死染色结果（标注 “D” 表示黑暗环境培养）；（b）24 小时后 BMH 对 L929 细胞活力的 CCK-8 检测结果；（c）免疫荧光染色及（d）统计分析显示 BMH 对 L929 细胞中 HIF-1α 表达的调控作用；（e）划痕愈合实验及（f）Transwell 迁移实验显示 BMH 对 L929 细胞水平和垂直迁移的影响；（g）L929 细胞水平迁移率统计分析；（h）L929 细胞垂直迁移率统计分析；（i）管形成实验及（j）分支数量定量显示 BMH 对人脐静脉内皮细胞（HUVECs）血管生成能力的影响。数据以平均值 ± 标准差（s.d.）表示（n=3），统计分析采用双尾 Student's t 检验，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001。
图4：BMH 治疗糖尿病慢性伤口的愈合评估
（a）动物模型建立、糖尿病伤口诱导 / 愈合及治疗监测的时间线示意图；（b）不同处理组在第 0、6、12 天的代表性伤口图像及连续 3 天伤口面积叠加图；（c）不同组别的伤口愈合率；（d）第 6 天伤口部位的苏木精 - 伊红（H&E）染色结果；（e）第 12 天伤口部位的 Masson 染色结果及（f）胶原化率定量分析；（g）第 12 天伤口部位的组织再生深度及（h）统计分析。数据以平均值 ± 标准差（s.d.）表示（n=4），统计分析采用双尾 Student's t 检验和单因素方差分析（ANOVA），随后进行 Dunnett 多重比较检验，*p<0.05，***p<0.001。
图5： BMH 治疗对糖尿病慢性伤口缺氧、炎症和血管生成的影响
（a）HIF-1α 染色显示伤口区域的缺氧状态及（b）统计分析；（c）CD31 染色指示血管生成（红色箭头标注新生血管）及（d）统计分析；BMH-BC 处理对糖尿病慢性伤口再生皮肤基因表达的影响：（e）火山图（突出显示四个显著上调的关键基因）；（f）空白组与 BMH-BC 组之间差异表达基因（DEGs）的热图；（g）DEGs 的基因本体论生物学过程（GO:BP）通路分析；（h）关键 GO:BP 通路中上调 / 下调 DEGs 的可视化 Z 分数及分布；（i）GO:BP 通路的基因集富集分析（GSEA）；（j）DEGs 的京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析；（k）关键 KEGG 通路中的基因分布；（l）KEGG 通路的 GSEA 富集分析。数据以平均值 ± 标准差（s.d.）表示（n=3），统计分析采用单因素方差分析（ANOVA），随后进行 Dunnett 多重比较检验，*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001。
该研究成功开发了一种共生型水凝胶伤口敷料，通过将光合微藻 CZ 和益生菌 BS 封装在可定制结构的 GelMA 水凝胶中，实现了糖尿病慢性伤口的有效治疗。该系统通过持续产氧和抑制致病菌形成协同治疗效果：CZ 产生的氧气缓解组织缺氧并促进 BS 增殖，而 BS 通过抑制竞争微生物维持 CZ 活力，构建了自我强化的共生循环。细胞和动物模型的系统评估表明，BMH 通过缓解缺氧、促进血管生成、减轻炎症反应，以及上调免疫调控和皮肤再生相关基因表达等多方面机制，显著加速糖尿病慢性伤口愈合，12 天内伤口闭合率达 89.85%。这种融合合成生物学与精准医学的仿生 BMH 系统，不仅为糖尿病慢性伤口治疗提供了独特解决方案，也为活体微生物材料的创新应用开辟了新路径。
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