糖尿病骨髓炎是骨科领域最棘手的感染性疾病之一。它的难治之处在于一个被高糖锁死的恶性循环：高血糖诱导氧化应激、削弱免疫，让细菌更容易繁殖并形成生物膜；生物膜和耐药菌又让传统抗生素逐渐失灵；持续的感染和炎症进一步破坏骨组织，而氧化应激拖垮了修复能力——"感染、炎症、骨缺损"环环相扣，单一路径的治疗往往顾此失彼。

近期，武汉大学中南医院喻爱喜教授团队与武汉理工大学戴红莲教授团队合作，在 Bioactive Materials 发表了一项研究：用微流控技术制备可注射的 TF@GL 微凝胶水凝胶，把 H₂Se（硒化氢）气体疗法与温和光热治疗（MPTT）结合，在抗菌、抗炎、成骨三个层面同时发力，为糖尿病骨髓炎提供了一条多机制协同的治疗思路。

01 为什么选 H₂Se？——气体分子"一石四鸟"

H₂Se 是一种具有生物活性的气体分子，它的独特之处在于能同时干四件事：抗菌——干扰细菌的硫代谢稳态（上调硫氧化还原酶等关键酶活性），属于非抗生素抗菌路线，不易诱导耐药；抗氧化——强还原性，可直接清除糖尿病微环境中过剩的活性氧（ROS），保护成骨相关细胞免受氧化损伤；抗炎——抑制 NF-κB 和 NLRP3 等炎症通路，减少促炎因子释放；促成骨——结合细胞膜受体，激活 TGF-β/BMP 成骨信号通路。

但气体疗法有一个先天难题：气体难以控释和定位，直接给药容易扩散流失、剂量不可控。因此，需要一个既能装载供体、又能可控释放、还能原位成型的载体 ——TF@GL 微凝胶水凝胶正是为此设计的。

02 微流控制备：把"气体弹药库"封进可注射微凝胶

体系的制备可以拆成三步。第一步，用 Fe₃O₄ 纳米颗粒装载 H₂Se 供体 TDN1042，得到 TF 纳米颗粒 ——Fe₃O₄ 承担光热转换功能，TDN1042 则是气体 "弹药库"，在生理条件下可水解释放 H₂Se。第二步，将硫辛酸通过酰胺反应接枝到明胶上，获得可光交联的 Gel-LA—— 硫辛酸的二硫键在紫外光下可断裂和重组。

第三步采用微流控法制备微凝胶：将 10% (w/v) Gel-LA 与 TF NPs 的混合液以 1 mL/h 的流速注入充满流动冰石蜡的硅胶管，同时用近红外照射防止预固化；在管出口处用 365 nm UV（10 mW/cm²）照射 10 s 快速固化，再经正己烷和水清洗去除石蜡残留，得到直径约 300–400 μm、尺寸均一的 TF@GL 微凝胶。

使用时，将微凝胶悬液原位注射到病灶，再经紫外光交联，微凝胶堆积并融合成完整的多孔水凝胶 —— 微凝胶之间的孔隙约 200–400 μm，为细胞迁移和营养扩散留出通道。二硫键的可重组性还赋予了体系自愈合能力：两种不同颜色的微凝胶混合后经 UV 照射 60 s 即可融合成完整水凝胶，两块已成型的水凝胶接触后同样可在 UV 下粘合，便于填充形状不规则的骨缺损（图 1）。

图1 TF@GL 水凝胶的表征。 (A) 硫辛酸接枝明胶的合成示意图；(B) TF@GL 溶胶；(C) TF@GL 微凝胶水凝胶。(D) 照片：(a) 罗丹明 B 染色后的微凝胶（比例尺：100 μm）；(b) 两种颜色的 Gel‑LA 微凝胶经紫外光照射后形成完整水凝胶；(c) 两块 Gel‑LA 水凝胶经紫外光照射后的自愈合效果。(E) GL 与 TF@GL 微凝胶水凝胶的扫描电镜（SEM）微观形貌图。比例尺：500 μm、200 μm、100 μm。(F) 溶胶‑凝胶转变与光交联时间的关系。 (G) 频率扫描流变测试（0.1‑10 Hz，1% 应变）。 (H) 旋转应变扫描流变测试（0.01‑10000% 应变，1 Hz）。 (I) GL、TF@GL 微凝胶基水凝胶的应力‑应变曲线。G′：储能模量；G″：损耗模量。(J) Gel‑MA、Gel‑LA 水凝胶及微凝胶基水凝胶的 DPPH 自由基清除能力（n = 3）。(K) Gel‑LA 微凝胶基水凝胶在含有 I 型胶原酶与不同浓度过氧化氢 H₂O₂（0、50 μM、200 μM）的磷酸盐缓冲液（PBS）中的降解行为（n = 3）。(L) 近红外光（808 nm，1.2 W・cm⁻²）照射条件下水凝胶的热成像图。数据以平均值 ± 标准差表示；***P < 0.001。

03 温和光热：42 °C "刚刚好"

传统光热治疗需 50–60 °C 才能高效杀菌，但已超过细胞耐受上限。本研究采用 MPTT（目标约 45 °C）：TF@GL 在 808 nm NIR（1.2 W/cm²）下体外升温至 42 °C 左右，体内稳定在 42.58 ± 1.16 °C。这一温度同时起三个作用：协同抗菌（NIR 5 分钟后 F@GL、TF@GL 两组抗菌率分别升至 82% 以上和 99% 以上，并瓦解生物膜）、加速 H₂Se 释放（实现 "光控释药"）、短时间温和热刺激促进成骨基因表达。

此外，H₂Se 的释放还具有 pH 响应性：TF 组在酸性环境（pH 5）下 30 分钟释放量达 1.18 ppm，明显高于中性环境（pH 7，22 分钟即达 0.53 ppm 的释放平台），酸性条件促进了 H₂Se 释放。糖尿病和细菌感染微环境往往偏酸，体系在病灶处会释放更多 H₂Se。细胞实验还确定了 1.0–3.0 μg/mL 的治疗安全窗口。

04 三重机制如何环环相扣

抗菌、抗氧化抗炎、成骨血管生成——这三条机制不是各自为战，而是环环相扣。

抗菌层面：H₂Se 干扰细菌代谢稳态，与温和光热协同打破耐药菌和生物膜防线。CLSM 三维成像和结晶紫染色均显示生物膜被有效清除，细菌活/死染色和 SEM 可见细菌膜结构损伤。

抗氧化抗炎层面：H₂Se 的还原性直接清除过剩 ROS，DPPH 清除实验显示微凝胶基水凝胶的清除率达 84.71 ± 3.46%，明显高于不含微凝胶的对照（56.17 ± 3.10%），得益于微凝胶堆积结构的大比表面积；H₂Se 保护 BMSCs 免受 H₂O₂ 诱导的氧化损伤，凋亡率从对照的 63.27% 降至 TF@GL+NIR 组的 22.27%；TF@GL+NIR 组 M1 促炎巨噬细胞比例从对照的 47.33% 降至 15.71%，向 M2 抗炎表型极化，NF-κB、NLRP3、Caspase-4、IL-1β 等炎症通路和因子被抑制。

成骨与血管生成层面：转录组分析显示，TF@GL+NIR 激活了 TGF-β/BMP 和 RPSC（干细胞多能性调控）两条关键通路，Smad9、Bmp4、Igf1、Osterix、RUNX2 等成骨相关基因显著上调，BMSCs 的 ALP 染色和茜素红染色均证实成骨分化增强。与此同时，体系还促进血管生成——HUVEC 划痕实验显示 TF@GL+NIR 组伤口愈合率达 81.95 ± 2.55%，是对照组的 4.22 倍，Transwell 迁移和 Matrigel 管形成实验也显示显著增强，这与 Igf1 的上调密切相关。骨再生离不开血供，成骨和血管生成同步推进，才是真正的"骨修复"（图2）。

图2 具备温和光热响应、可释放硒化氢（H₂Se）的水凝胶，用于糖尿病骨髓炎的抗感染及免疫性骨再生研究。(A) TF@GL 微凝胶的制备。(B) 构建糖尿病颅骨骨髓炎模型，原位形成基于 TF@GL 微凝胶的水凝胶并开展治疗。(C) TF@GL 通过释放硒化氢，发挥抗菌、抗氧化、抗炎及促成骨作用，实现免疫调控骨再生的作用机制。

05 体内验证与安全性

在糖尿病骨髓炎大鼠颅骨缺损模型中（链脲佐菌素诱导糖尿病 + MRSA 植入 + 颅骨缺损），治疗后第 1 周，TF@GL+NIR 组颅骨感染区域的 MRSA 菌落量即显著低于各对照组；第 4、8 周的 micro-CT 显示，该组的新骨体积/组织体积（BV/TV）、骨密度（BMD）、骨小梁数量（Tb.N）和厚度（Tb.Th）均显著增加，H&E 和 Masson 染色可见缺损边缘排列整齐的胶原纤维和骨样基质，缺损接近闭合。

材料的降解行为也经过设计：在含胶原酶 I 和 H₂O₂ 的模拟病理环境中，体系第 16 天质量损失约 93.37%，第 18 天接近完全降解，避免了二次手术取出。安全性方面，Fe 主要经肝、脾、肾代谢，含 H₂Se 供体的组在肝肾中 Se 含量仅有轻微增加，说明存在体内清除途径；血清生化和血液学分析显示，除白细胞（WBC）外各项指标与对照组无显著差异——而 WBC 在对照组升高正是慢性骨髓炎的表现，TF@GL 组 WBC 保持在正常范围，侧面印证了感染得到控制（图3）。

图3 TF@GL 水凝胶用于体内骨髓炎的促治疗效果。 (A) 骨髓炎模型构建及治疗过程示意图。 (B) 治疗 1 周后感染颅骨部位的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）菌落照片及细菌定量统计结果（n = 4）。比例尺：2 cm。 (C) 治疗第 4 周、第 8 周颅骨的 Micro‑CT（显微计算机断层扫描）图像。 (D) 骨体积分数（BV/TV）、骨密度（BMD）、骨小梁数量（Tb.N）、骨小梁厚度（Tb.Th）的定量分析结果（n = 4）。 (E) 治疗第 4 周、第 8 周颅骨缺损部位的 H‑E 染色与 Masson（马松）染色结果。低倍放大比例尺：2 mm；高倍放大比例尺：200 μm。数据以平均值 ± 标准差表示；*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001。

06 微流控视角：微凝胶是该体系的"形态基础"

值得微流控领域同行注意的是，这套体系的性能很大程度上建立在对微凝胶形态的精确控制之上：微凝胶的均一性保证了注射后水凝胶结构的均匀和力学稳定；微凝胶堆积形成的 200–400 μm 级孔隙直接贡献了促进细胞迁移和营养交换的多孔结构；而"微凝胶可注射、原位光交联成型"的设计，让材料能以微创方式填充任意形状的骨缺损。管内微流控路线中"冰石蜡连续相 + NIR 防预固化 + 出口 UV 快速固化"的工程组合，也为高粘度光敏前驱体的单分散造粒提供了一个可借鉴的方案。可以说，微流控在这里不只是一个制备工具，而是决定了材料"从微观单元到宏观功能"的关键环节。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.04.041

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