糖尿病伤口复杂的微环境表现为活性氧(reactive oxygen species, ROS)过度蓄积与炎症因子过表达的恶性循环,是导致愈合迟缓的核心原因。调控该微环境、抑制伤口炎症、氧化应激及细菌感染,是糖尿病伤口治疗的关键挑战。本研究通过反溶剂沉淀法制备β-谷甾醇颗粒(antisolvent-processed β-sitosterol, AS-Sit),解决了β-谷甾醇分散性差的问题,并将其与小烛树蜡结合,开发了一种可负载姜黄素的新型多功能油凝胶体系。该油凝胶表现出优异的稳定性、铺展性及缓释性能。β-谷甾醇与姜黄素的协同作用使含0.15%姜黄素的油凝胶(OG/Cur-0.15%)在抗菌、ROS清除、成纤维细胞迁移促进、巨噬细胞M2极化诱导及炎症因子表达调控方面均显示出显著功效。这种多功能油凝胶为慢性糖尿病伤口愈合提供了一种简便有效的治疗方案,在未来临床应用中具有重要潜力。
《Materials Today Bio》刊发的研究针对糖尿病伤口高发病率与高截肢风险现状,聚焦其微环境中细菌定植、免疫失调、持续炎症状态及氧化应激损伤导致的愈合障碍,同时针对传统油凝胶存在的载油量有限、结构恢复性差、植物油易氧化及凝胶因子熔点限制等问题,以及β-谷甾醇(β-sitosterol, Sit)因高熔点、水溶性差、油溶性不足难以应用于生物材料领域的瓶颈,开发了基于反溶剂改性β-谷甾醇的新型油凝胶给药系统,证实其在促进糖尿病伤口愈合中的多重功效,为慢性伤口管理提供了简便、高效的策略。
研究人员采用反溶剂沉淀法制备AS-Sit,通过扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)、差示扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)表征其理化性质;将AS-Sit与小烛树蜡(candelilla wax, Cw)复配构建油凝胶,利用偏光显微镜、傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、流变学分析评价结构与力学性能;通过透析袋法考察姜黄素体外释放行为,采用DPPH自由基清除实验、羟基自由基清除实验及平板计数法评估抗氧化与抗菌活性;以高糖联合脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)诱导的细胞模型模拟糖尿病伤口微环境,通过CCK-8、活死染色、划痕实验、流式细胞术及免疫荧光分析评价细胞相容性、增殖迁移、ROS清除及巨噬细胞极化调控作用;采用链脲佐菌素(streptozotocin, STZ)诱导的糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型,通过伤口面积测量、组织学染色(H&E、Masson、AB-PAS)及免疫组化分析验证体内促愈合效果与机制。
3.1 反溶剂处理制备的Sit颗粒表征与分析
反溶剂沉淀使Sit由球形转变为针状,粒径显著降低,DSC显示熔点降低、结晶度下降,XRD特征峰强度减弱,油相分散性明显改善,为稳定油凝胶的形成奠定基础。
3.2 AS-Sit基油凝胶的外观与力学性能表征
AS-Sit单独无法形成稳定凝胶,与γ-稻糠醇、单硬脂酸甘油酯、小烛树蜡复配后,AS-Sit/Cw油凝胶质地柔软、无颗粒感、铺展性最优;偏光显微镜显示其晶体细小均匀,XRD证实其为β晶型为主、含少量β'晶型的混合晶型,FTIR与分子对接揭示氢键作用是凝胶网络形成的主要分子间作用力。
3.3 AS-Sit基油凝胶的流变学性能
所有油凝胶均呈剪切变稀行为,AS-Sit/Cw油凝胶表观黏度适中、屈服应力低(69.96 Pa),加热冷却循环后凝胶强度保持稳定,兼具良好变形性与恢复性。
3.4 AS-Sit基油凝胶的持油能力与氧化稳定性
AS-Sit/Cw油凝胶持油能力达93.35%,远高于单一AS-Sit油凝胶,其过氧化值与茴香胺值分别降至54.15 mmol/kg与30.37,有效延缓脂质氧化。
3.5 姜黄素在油凝胶中的稳定性与体外释放行为
AS-Sit/Cw油凝胶通过增强氢键网络封装姜黄素,使其光稳定性与热稳定性较未复合油凝胶提升50%以上;Korsmeyer-Peppas模型拟合显示其释放指数n接近1,为零级恒速释放,分子动力学模拟证实其扩散系数(5.93×10-8)显著低于对照组。
3.6 不同姜黄素含量油凝胶的抗氧化与抗菌活性
抗氧化活性随姜黄素浓度升高而增强;0.15%姜黄素油凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌的抗菌率均>85%,可破坏细菌膜结构,最小杀菌浓度/最小抑菌浓度比值≤4,且光照不影响其抗菌效果。
3.7 不同姜黄素含量油凝胶的生物相容性与血液相容性
姜黄素浓度>0.15%时出现析出,导致细胞存活率<90%、溶血率升高;0.15%姜黄素油凝胶处理的成纤维细胞、巨噬细胞、人脐静脉内皮细胞存活率均>93%,溶血率<5%,符合医用材料安全标准。
3.8 高糖氧化应激下油凝胶对细胞迁移与增殖的影响
正常条件下,OG/Cur-0.15%油凝胶使成纤维细胞划痕闭合率达89.56%;高糖氧化应激下仍保持75.31%的闭合率,且细胞增殖速率显著高于对照组,有效逆转病理微环境对修复细胞的抑制作用。
3.9 油凝胶对高糖氧化应激细胞ROS的清除作用
OG/Cur-0.15%油凝胶在正常与高糖氧化应激条件下均能显著降低细胞内ROS水平,缓解氧化损伤,为伤口愈合创造有利微环境。
3.10 高糖氧化应激下油凝胶对巨噬细胞极化的调控作用
OG/Cur-0.15%油凝胶下调促炎M1标志物CD86表达,上调抗炎M2标志物CD206表达,同时降低促炎因子TNF-α水平,升高抗炎因子TGF-β与IL-10水平,促进巨噬细胞向修复型M2表型转化。
3.11 油凝胶治疗糖尿病伤口的体内评价
糖尿病小鼠模型中,OG/Cur-0.15%油凝胶组第3天即形成痂皮无感染,第7天伤口面积仅剩15.01%,第14天愈合率达94.29%,显著优于磷酸盐缓冲液组(愈合率80.98%)与商用凝胶组(愈合率86.59%),且第3天伤口组织菌落计数显著低于对照组。
3.12 糖尿病小鼠伤口组织染色分析
AB-PAS染色显示OG/Cur-0.15%油凝胶有效清除伤口组织中异常蓄积的黏蛋白与糖原;第7天H&E染色显示其炎症细胞浸润最少,表皮厚度显著增加;Masson染色显示其肉芽组织更丰富、胶原沉积更致密,加速组织重塑。
3.13 油凝胶促进糖尿病伤口愈合的体内免疫调节机制
OG/Cur-0.15%油凝胶下调伤口组织促炎因子IL-6表达,上调抗炎因子IL-10表达,促进M2型巨噬细胞极化;同时上调血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)与血小板内皮细胞黏附分子(cluster of differentiation 31, CD31)表达,增强早期血管新生。
4 结论
本研究构建的OG/Cur-0.15%油凝胶以AS-Sit与小烛树蜡为基质,兼具优异的铺展性、稳定性与姜黄素缓释性能,通过协同β-谷甾醇与姜黄素的抗菌、ROS清除、促细胞迁移增殖、调控巨噬细胞极化、抑制炎症、促进血管新生与胶原沉积等多重作用,显著加速糖尿病伤口愈合。该研究为慢性伤口治疗提供了新型候选材料,未来可进一步开发适配临床多样化伤口形态的3D打印凝胶制剂。