学术报告

一、研究主要作者及发表信息

本研究的主要作者包括 Dengfeng He, Xingmou Liu, Jiezhi Jia, Bo Peng, Na Xu, Qing Zhang, Shang Wang, Lei Li, Menglong Liu, Yong Huang, Xiaorong Zhang, Yunlong Yu 和 Gaoxing Luo，分别隶属于中国重庆西南医院烧伤研究所、四川大学华西医院、重庆中医药大学以及重庆邮电大学等著名研究机构。本文发表于《Advanced Functional Materials》期刊，文章编号为2306357，在线发表时间为2023年。

二、研究背景与目的

本研究聚焦于慢性糖尿病伤口治疗领域，尤其是受感染的糖尿病皮肤伤口的治疗。慢性糖尿病伤口因炎症微环境长期存在、表皮细胞增殖异常及顽固的细菌感染而成为糖尿病患者常见且棘手的并发症。传统治疗方法如负压吸引、生长因子治疗、干细胞疗法和自体皮肤移植等因为高昂的费用、不适的痛苦以及潜在的临床应用安全性问题，未能普及应用。
在细菌感染的创口中，高葡萄糖环境促进了细菌增生与生物膜形成，进一步抑制伤口愈合。此外，现有抗生素治疗难以有效穿透厚痂及生物膜，并因耐药细菌的出现而逐渐失效。基于近红外（NIR）光的热疗虽然创伤较小并具备广谱抗耐药菌的潜力，但因光强在组织中的衰减限制了深层细菌感染的处理。因此，开发经济、安全且高效的糖尿病伤口治疗手段成为研究热点。

为应对此类挑战，本研究创新性地提出了一种基于磁热响应的双层微针（Magneto-thermal responsive bilayer microneedles, 简称 Fe-Se-HA MNs），结合磁场介导的深层热疗效应及皮肤组织再生技术，针对感染的糖尿病皮肤创面提供了一种非侵入性治疗方法。

研究目的在于设计和验证一种融合机械穿透、磁热杀菌、抗炎以及促进血管生成等功能的双层微针平台，为糖尿病创面治疗提供一种多功能、可深入感染部位的新方法。

三、研究方法与技术流程

本研究的实验流程设计精细，分为以下几个主要步骤：

1. 双层微针的合成与表征：

   • 微针由甲基丙烯酸化透明质酸（Methacrylated Hyaluronic Acid, M-HA）构成，尖端层包含磁性氧化铁（Fe3O4）纳米颗粒，基底层纳入脂酸保护的硒纳米颗粒（Selenium Nanoparticles@Lipoic Acid Sodium, 简称 SeNPs@LAS）。合成采用微模压与光交联技术，尖端层通过离心法确保均匀填充后，紫外线固化；基底层材料随后填充并再次光交联成型。
     
   • 作者利用透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、动态光散射仪（DLS）及荧光显微镜等方法对颗粒尺寸、形态和微针的双层结构进行了详细表征。

2. 磁场装置的设计与验证：

   • 磁场由创新设计的盘状电磁场设备（Disk-ZVS）产生，通过特殊线圈结构提供高强度且局部集中的磁场。作者利用有限元模拟（Finite Element Simulation）验证了磁场在微针尖端聚焦的能力，同时对不同线圈设计如螺线管线圈的磁通密度进行了比较。

3. 磁热性能及抗菌性能测试：

   • 在磁场（交流电流30A, 频率60kHz）条件下，测试不同微针（Fe-Se-HA MNs、Fe-HA MNs及HA MNs）的热效应及杀菌能力。通过细菌生物膜的3D激光扫描共聚焦显微镜成像评估杀菌效率，并进一步设计琼脂平板实验验证磁热杀菌效果。

4. 生物相容性与细胞实验：

   • 在体外培养的内皮细胞（HUVECs）和角质生成细胞（HaCaTs）中，用微针的浸提液测试其细胞存活率、增殖促进效果及血管生成能力（管状结构形成实验）。并通过Scratch Test评估细胞迁移能力及实时定量PCR检测与血管生成相关基因（如HIF-1α、VEGF）的表达变化。

5. 动物模型实验验证：

   • 在链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型中引入金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）感染。在磁场刺激条件下，分别检测创口处杀菌效果、反应性氧化物种（Reactive Oxygen Species, ROS）水平变化及组织愈合效果。
   • 历时14天对伤口愈合面积、肉芽组织厚度、新生血管密度及胶原沉积量进行统计分析，结合组织切片的H&E染色、Masson染色和CD31免疫组织化学染色进一步解析修复效果。

四、主要研究结果

1. 双层结构微针的特性：
   自主设计制备的双层微针具备优异的机械强度，可轻易穿透硬痂并进入细菌生物膜；微针尖端由氧化铁纳米颗粒构成，能通过磁热效应提供局部精准加热，而基底层在较低温度下起抗炎作用。

2. 磁热抗菌能力：
   Disk-ZVS磁场设备产生的聚焦磁场可有效刺激微针尖端加热，对金黄色葡萄球菌的生物膜杀灭率达70%以上，显著优于传统光热疗法。

3. 生物相容性与血管生成作用：
   微针浸提液表现出良好的细胞生物相容性，同时促进内皮细胞增殖、迁移和管状结构形成。相关基因表达显著上调，验证了微针在创口血管生成中的积极作用。

4. 动物模型验证：
   在糖尿病小鼠感染模型中，磁热治疗可显著减少细菌负荷（降低约2-log单位），降低ROS水平，促进创口边缘上皮增生及肉芽组织形成。14天后，Fe-Se-HA MNs + 磁场组的创口闭合率达88.2%，远高于对照组。

五、研究结论与价值

本研究成功开发了一种磁热响应的双层微针平台，结合Disk-ZVS磁场装置，首次实现了纳米磁性材料在微针尖端的加热聚焦。
研究揭示了该系统在深层感染创口中的杀菌、抗炎及组织再生调控的潜力，为糖尿病慢性创面治疗提供了创新性方法。这一系统不仅克服了近红外光疗在深层组织中渗透不足的问题，还显著提高了热疗的精准性与生物安全性。

六、研究亮点

1. 双层微针设计及磁热材料的创新使用。
   
2. 首次实现磁场以及电磁损耗在微针尖端的聚焦。
   
3. 系统集成了杀菌、抗炎与血管生成多功能治疗模式。
   
4. 采用盘状电磁场装置（Disk-ZVS），模型设计与实验验证相结合。

七、研究的局限性与展望

尽管本研究展示了该方法在小鼠模型中的高效性与可行性，仍需进一步探讨其在更复杂伤口形态及大动物试验模型中的应用潜力。在未来的研究中，针对不同创伤形态优化微针释放行为将是重要方向。