第一作者：YuzhuYuan
通讯作者：张修华、熊华玉
通讯单位：湖北大学
研究速览
近期，湖北大学张修华教授团队在Aggregate上发表了题目为A Flexible Antibacterial Gel Electrochemiluminescence Device for Monitoring and Therapy of Chronic Diabetic Wounds的文章。室内光驱动光动力治疗系统的快速发展源于它能够消除庞大的物理光源，满足了长期糖尿病伤口管理中对舒适性和便携性的医疗要求。为了克服内部光源的穿透深度和可控性等限制，本研究引入了一种抗菌地电化学发光疗法，用于治疗糖尿病伤口和监测伤口细菌。研究人员采用了一种结合了柔性丝网印刷电极和双网络水凝胶的大型实心发光装置，其中的光动力疗法是由 Ru@COFs 的纳米聚焦增强型近红外电化学发光元件驱动的，以实现更高效、更安全的抗菌效果。定制尺寸的屏幕打印电极继承了机载电化学传感功能，使反应性氧物种与外壳之间能够实现亲密接触。该设备避免了物理光源，为开发微型集成诊断和治疗穿戴设备提供了新的范式。
要点分析
要点：本研究构建了抗菌凝胶 ECL 装置（AGECLD），并将其用作集传感能力和精确治疗糖尿病伤口于一体的治疗系统。丝网印刷电极（SPE）的基底是碳糊图案的聚氯乙烯，可提供各种尺寸的个性化定制。这种设置允许在单层平面上增强场强，克服了典型的三明治结构，使药物从水凝胶中释放出来。上层是由 Ru@COF、三丙胺（TPrA）、二氢卟啉（Ce6）、海藻酸钠（SA）和壳聚糖季铵盐（CQAS）组成的导电双网络水凝胶（方案 1）。由 SA（添加金属离子后瞬间凝固）和 CQAS（作为改性抗菌生物大分子）组成的导电双网络水凝胶被用来连接发射器和构建生物电极-组织界面。为了增强光源的强度，共价有机框架（COFs）作为一种低毒、稳定的多孔材料被用来固定钌，促进 TPrA 共反应物的积累，加快与中间产物的反应速率。一方面，Ru@COF 与 TPrA 反应生成高亮度的近红外（NIR）ECL、另一方面，SPE 表面环境引起的时变输出信号的变化可以实时监测伤口床的细菌情况，指导治疗过程，避免治疗不及时和过度。需要强调的是，这项研究不仅为开发一种新的 ECL 驱动的光动力疗法提供了范例，还为治疗过程中的细菌综合护理点检测（POCT）监测开辟了一条新途径。
图文导读
图1.（A） 抗菌凝胶电化学发光装置 （AGECLD） 的制备。（B） 通过 AGECLD 进行的糖尿病伤口抗菌治疗和细菌监测的示意图。（C） ECL 驱动的光动力疗法 （PDT） 的能量传递机制。
图2. (A)Ru@COFs和凝胶前驱体的制备。(B) 凝胶电化学发光器件（GECLD）的制备步骤。(C) (i) 电极结构示意图，扫描电子显微镜（SEM）表征，(ii) 丝网印刷电极（SPE）的俯视图和(iii) 横截面，(iv) 碳浆和(v) 聚氯乙烯（PVC）基底的接触角。(D) 明视野和 ECL 图像中未交联（左）、一片交联（中）和单独交联（右）的照片。未交联（左）和交联（右）的表面光镜图片（插图）。无（E）或有（F）凝胶的通路将参比电极、工作电极、电池和 LED 串联起来。(G) 在[Fe(CN)6]3-/4-中测试的同一批制备的 8 次 GECLD 的电化学阻抗图，其尺寸和结构完全相同。(H）冻干凝胶的膨胀率。
图3. (A)Ru@COFs的电化学发光（ECL）发射光谱，Ce6在二甲基亚砜（DMSO）中的紫外线（UV）吸收光谱。(B)通过ECL光谱积分10倍获得的电化学发光器件（GECLD）和抗菌GECLD（AGECLD）的ECL强度。(C）凝胶修饰的玻璃碳电极的 ECL 响应；凝胶由 SA + CQAS + Ru@COFs + TPrA（用于构建 GECLD）或 SA + CQAS +Ru@COFs +TPrA+Ce6 （用于构建 AGECLD）组成。(D) GECLD 的 ECL 强度与电压关系图（插图为 AGECLD）。(E) DCFH 作为活性氧（ROS）指示剂的荧光光谱，以及 (F) SOSG 作为 1O2 指示剂的荧光光谱。
图 4. (A) 不同处理组的金黄色葡萄球菌 CFU。I：对照组；II：SA；III：SA + E；IV：CQAS + E；V：PDT + E；VI：AGECLD +E。(C)不同组别（a：对照组；b：CQAS + E；c：PDT + E；d：AGECLD + E）金黄色葡萄球菌抑制区的照片。(D)不同处理组别金黄色葡萄球菌的扫描电镜图像。(E)用 NucGreen/EthD-III 染色的总细菌/死亡细菌的激光聚焦图像。(F）在不同条件下抗菌后，通过聚合酶链反应（PCR）测定细菌相关基因的表达水平（n = 3）。(G）人脐静脉内皮细胞（HUVECs）经不同配方处理 24 小时后的细胞存活率（从 i 到 iv：25、50、75 和 100 wt%的抗菌凝胶电化学发光装置[AGECLD]浸出液混合在杜氏改良eagle培养基[DMEM] 中）。(H）磷酸盐-缓冲液（PBS）、H2O 和不同浓度的 AGECLD 浸出液的溶血率。(I) 用 100 wt%浸出液（AGECLD）和 DMEM 培养基（对照）处理 1、2 和 3 天后细胞的活/死染色。
图5. (A)糖尿病小鼠伤口感染模型的建立和后续治疗示意图。(B)活体试验照片。(C)14 天内糖尿病小鼠伤口的代表性图像。(E）治疗期间糖尿病小鼠伤口面积和（F）体重的变化。(G) 左图：第 1、3 和 5 天的电流变化图。右图：相应伤口处细菌的琼脂平板图。(H)治疗 14 天后大鼠伤口组织的 H&E 染色和 MASSON 染色图像。(a) 对照组，(b) CQAS + E，(c) PDT + E 和 (d) AGECLD + E
图6. (A)伤口组织中 Ki67、CD31 和血管内皮生长因子 (VEGF) 的免疫组化染色。用 ImageJ 软件定量分析伤口组织中 (B)Ki67、(C) CD31 和 (D) VEGF 的阳性率（n = 3）。(a) 对照组，(b) CQAS + E 组，(c) PDT + E 组和 (d) AGECLD + E 组。。
结论
综上所述，本研究提出的一体式交联 AGECLD 无需外部物理光源即可成功实现 ECL 驱动的光导疗法，有效抑制细菌感染，并能实时监测伤口状态。Ru@COFs的纳米迷幻增强型近红外ECL驱动了更深入、更安全的PDT，并与CQAS药物治疗协同作用，实现了优异的抗菌性能。SPE 的引入成功地为 ECL 器件提供了一种打破常规的电极结构，使其不再局限于显示元件。SPE 较大工作区域的设计可控制大面积 ECL 输出，用于 PDT 治疗，从而产生更多 ROS，同时允许皮肤紧密接触，并通过电化学传感实现无创生物信息提取。我们认为，这项研究为加快 ECL 设备和可穿戴疗法之间的合作提供了实用指南，从而为利用 ECL 凝胶提供了新的机会。尽管这项研究取得了令人鼓舞的成果，但仍有一些局限性需要考虑。首先，必须引入无线供电方法，如自供电技术，以提高可穿戴设备的便携性。其次，目前的研究主要集中在皮肤表面，探索结合微型电极来激活 ECL 凝胶可能有利于实现更深层次的治疗效果。最后，开发具有卓越光效的 ECL 光源仍然是一个持续的挑战。
全文链接：https://doi.org/10.1002/agt2.703
参考文献：Yuan, Y., Yan, D., Duan, R., Xiong, H., Wen, W., Wang, S. and Zhang, X. (2024), A Flexible Antibacterial Gel Electrochemiluminescence Device for Monitoring and Therapy of Chronic Diabetic Wounds. Aggregate e703. https://doi.org/10.1002/agt2.703
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