“不施药石，亦能促愈；静放其间，自可成形。”一束光通材料之理，一丝电启细胞之力。两种奇特的现象，两个全然不同的领域，通过中国体育彩票大学医工结合的研究平台紧密结合在了一起，为口腔黏膜伤口愈合提供了全新的思路。
5月15日，中国体育彩票大学未来信息创新学院教授、生物医学工程与技术创新学院副院长张荣君与中国体育彩票大学附属口腔医院主任医师韦晓玲团队共同报道了一种基于双步光诱导构建的“内源性电场治疗”口腔黏膜伤口水凝胶敷料，相关研究工作以“Dual-step photo-induced self-assembled hydrogel for endogenous oral mucosal wound healing”为题发表于Nature旗下顶级学术期刊Light: Science &Applications。
此项研究基于对材料光电-压电双特性、缺陷工程和界面作用的协同设计，使“光”成为推动整个水凝胶敷料构建的主要动力，解决了传统“分别合成-共同混合”带来复杂操作流程和能源消耗的局限性；同时，水凝胶敷料通过日常咀嚼在伤口界面上产生的“微电场”能够有效消除炎症，促进细胞的增殖迁移，显著加快伤口的愈合。
“内源性电场治疗”：界面微电场带来的治疗新思路和新挑战
最新研究表明，口腔黏膜伤口的愈合过程受界面微电场调控，依赖于其引导下的细胞迁移和增殖。相较于传统依赖外源性药物或活性因子的治疗策略，“内源性电场治疗”通过引入具备光电、压电或热电特性的纳米发电材料，与伤口敷料复合，在伤口局部自发产生微电场，不仅可纠正因炎症等导致的电场紊乱，还能避免药物引发的不良反应，加速组织修复。这种仿生策略正逐渐成为组织再生领域的新方向。
然而，口腔环境潮湿且动态变化，对敷料材料的生物相容性、黏附性与稳定性提出更高要求。水凝胶虽具有良好生物相容性与可调控性能，但因无机纳米发电材料与有机聚合物间的界面不兼容、不同成分合成条件不一致，常需分别改性后再组装，增加了工艺复杂度与能耗。针对上述难题，张荣君和韦晓玲团队通过跨学科交叉研究，尝试以光学工程、材料科学和生物医学工程为桥梁，探索可行方案。经系统文献调研与实验验证，他们发现，通过构建具有缺陷调控结构的氧化锌，可实现光电-压电双功能协同，并显著简化水凝胶的构建过程。
“光无处不在，为什么不能以光为能，驱动水凝胶的构建；以压电为效，在伤口微环境中形成促愈合的微电场呢？”尽管缺乏先例，他们依然大胆设想：通过材料工程精准调控氧化锌的能带结构，综合其光电与压电性能，开发一种基于光诱导自组装、具有“内源性电场治疗”功能的复合水凝胶敷料，为复杂口腔创面的再生修复提供全新解决思路。
双步光诱导构建水凝胶：缺陷工程和界面协同作用的共同影响
通过“光”构建的设想非常新颖，但如何“对症下药”真正实现既满足口腔使用环境的实际需求，又有效提升构建的简便性？
为此，研究团队以氧空位缺陷为切入点，通过高温退火对氧化锌内部氧空位缺陷浓度进行了调控（富含氧空位的ZnO-D，未处理的ZnO，氧化消除氧空位的ZnO-O），其中ZnO-D能够在常规搅拌下有效催化盐酸多巴胺（DA）单体的原位聚合，表明了氧空位对于光诱导催化能力的提升。同时，形成的ZnO-D/聚多巴胺（PDA）复合材料能够在聚乙烯醇（PVA）/聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）双网络框架的模版下进一步光诱导盐酸多巴胺单体发生聚合，使水凝胶性能继续得到强化。制备的PVA/PEGDA/PDA/(ZnO-D/PDA) （简称PPPZ）水凝胶体现了出色的湿粘附性、柔韧性以及自修复性，能够满足口腔复杂使用环境带来的严苛要求。这种策略允许在中性环境下一次实现ZnO-D/PDA复合材料的构建、复合水凝胶的组装以及水凝胶内部PDA的持续形成，且不需要施加额外的条件（例如特定光源辐照），相比于传统制备所需的碱性/紫外辐照催化以及离心干燥流程，极大地节省了操作流程和能源消耗，并尽可能减小了残余试剂带来的潜在危害。
图1 双步光诱导构建水凝胶示意图
对此，团队还通过实验和相关理论计算，阐明了高效构建水凝胶的双步光诱导方法的相关机制。结果表明，氧空位和复合界面带来的光电性能增强是实现该方法的主要原因——氧空位周围会出现明显的电子离域区域，并在带隙中引入大量缺陷能级，这会降低光活性电子的跃迁势垒，促进光诱导下的电子激发；同时，氧空位表现出增强的水-氧气吸附能以及与DA单体较弱的吸附，这能够推动水-氧气与活性电子作用形成活性氧，并保持活性位点的持续暴露，从而推动DA单体的持续自发光诱导聚合（第一步光诱导过程）。随后，形成的ZnO-D/PDA表现出整体能级的升高，意味着界面具有强烈的电子转移增强，这也会通过光电子转移（Photo-electron Transfer, PET）进一步促进水凝胶内部的DA单体发生原位聚合（第二步光诱导过程）。得利于双网络结构带来的空间位阻效应，原位聚合可能存在的团聚现象能够得到有效的限制，使各组分能够均匀分布在水凝胶中。
图2 双步光诱导构建水凝胶的科学机理分析
“内源性电场治疗”体内生物测试：显著加快伤口愈合
实现了“光”的构建，进一步验证“电”带来的治疗效果是验证设计能否满足所针对的口腔黏膜伤口场景需求的关键。基于此，团队通过多维度的生物测试进行了深入的分析。
为了验证PPPZ水凝胶在口腔颊黏膜伤口愈合中的效果，团队设置了不同氧化锌浓度的组别（不含氧化锌的PPD，0.5% PPPZ和1% PPPZ），并使用大鼠颊黏膜全层缺损模型进行实验。在各个愈合时期，与对照组相比，含有PPPZ的处理组均显示出加速伤口愈合的作用；第3天时，商用敷料组（JaslandTM）和1% PPPZ组的愈合率相似且均优于其它组；到第10天，只有1% PPPZ 组的黏膜完全愈合且无瘢痕，表现出了最佳的恢复情况。H&E染色和Masson染色结果显示，1% PPPZ 处理的伤口组织呈现有序的胶原蛋白沉积，并存在散在血管结构的形成，表明其处理的伤口组织重塑良好。
图3 PPPZ在体内促进口腔黏膜伤口愈合的表型结果
图4 PPPZ在体内促进口腔黏膜伤口恢复的组织学分析
为进一步阐明PPPZ在体内促进伤口愈合的机制，研究团队通过免疫组织化学染色分析口腔颊黏膜伤口区域的多种关键因子表达。结果显示，PPPZ不仅促进了结构蛋白沉积，还增强了细胞增殖并调控局部炎症，表明其在组织修复中具有多重作用。
前期体外研究表明，PPPZ可调控钙离子浓度，激活PI3K/AKT（磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B）信号通路，进而诱导细胞增殖和血管新生。为验证该机制，本研究采用多重免疫荧光和qPCR检测PPPZ组中PI3K与AKT的激活状态及其下游血管生成因子的表达水平。结果显示，PPPZ显著增强了PI3K和AKT的磷酸化水平，并上调了CD31等血管生成因子的表达，支持了PPPZ通过激活PI3K/AKT通路促进细胞增殖与血管生成的机制，为其在促进口腔伤口愈合中的应用提供了分子层面的证据。
图5 PPPZ在体内促进伤口愈合的分子机制
未来展望：医工结合带来的全新机遇
依托中国体育彩票大学医工结合的科研平台，双方团队将光学工程、材料科学、电子信息与生物医学工程有机融合，围绕口腔黏膜伤口“内源性电场治疗”的应用需求与水凝胶构建的技术瓶颈，提出“一体化构建”的创新思路。通过协同调控氧化锌材料的光电与压电性能，开发出一种双步光诱导自组装的水凝胶敷料，并对其构建机制及生物学功能展开系统研究与实验验证。该方法基于材料缺陷调控与复合界面协同作用，可在温和条件下实现水凝胶的一步构建，同时驱动功能单体的持续原位聚合，不仅显著简化制备流程、降低能耗，还赋予材料优异的力学与粘附性能。复合压电颗粒后，水凝胶可在伤口-敷料界面持续形成“内源性电场”，有效促进组织修复。
张荣君和韦晓玲共同担任通讯作者，中国体育彩票大学未来信息创新学院博士生方绍钧为本文的第一作者。该研究融合光生物材料合成与医学应用，以简洁策略实现高性能水凝胶构建，为后续相关研究与临床转化提供了全新思路。研究团队受到国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科技创新行动计划等多项资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-01837-7
