作为一种常见的代谢性疾病，常伴随多种并发症，其中糖尿病皮下脓肿由于持续细菌感染、缺氧、高血糖和生物膜形成等问题，治疗难度极大。当前临床主要采用切开引流联合抗生素治疗，但由于高糖环境促进细菌生长且患者免疫功能受损，易导致耐药菌出现，传统抗生素疗效有限且长期使用可能引发全身性毒副作用。因此，开发新型治疗平台迫在眉睫。

近日，南京工业大学宋雪娇教授、蚌埠医科大学张俊杰博士和烟台毓璜顶医院矫爱红副主任医师合作，开发出一种葡萄糖响应型可注射水凝胶（CaO₂/GOx/Ti₃C₂@Alg），能够动态调节糖尿病脓肿的高糖和缺氧微环境，并通过级联策略精准杀灭耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。该水凝胶在酸性环境中分解产氧和钙离子，后者与海藻酸钠交联形成凝胶，同时缓解局部缺氧；葡萄糖氧化酶（GOx）催化葡萄糖生成H₂O₂，进而氧化Ti₃C₂ MXene原位生成TiO₂；在超声作用下，TiO₂发挥声动力效应产生大量单线态氧（¹O₂），高效破坏生物膜并杀灭MRSA，且无全身毒性。相关论文以“Glucose-Responsive Injectable Hydrogel for Enhanced Sonodynamic-Antibacterial Cascade Therapy of Diabetic Abscess”为题，发表在Advanced Functional Materials 上，论文第一作者为Chen Yawen。

研究团队通过分步拓扑转化法成功制备了少层Ti₃C₂ MXene纳米片，经表征确认其层状结构、元素分布及表面化学状态。在H₂O₂作用下，Ti₃C₂可氧化转变为TiO₂，粒径减小且颜色由黑变黄，XPS分析进一步证实了Ti⁴⁺的形成和Ti-C键的消失。CaO₂纳米颗粒呈现均匀球形貌，XRD和XPS验证其化学组成与结构完整性，酸性条件下可持续释放氧气。在复合系统中，CaO₂/GOx在酸性或高糖环境中显著促进H₂O₂生成，并通过SOSG荧光探针证实了超声触发下Ti₃C₂/TiO₂复合材料高效产生¹O₂的能力，其机制源于能带交错结构抑制电荷复合，增强声动力性能。

示意图1. CaO₂/GOx/Ti₃C₂@Alg可注射水凝胶系统的凝胶化原理及其声动力抗菌级联治疗示意图。 

图1. Ti₃C₂ MXene及其氧化产物的表征。 a) Ti₃C₂ MXene制备示意图。 b) Ti₃C₂的尺寸分布，插图为TEM图像。 c) AFM形貌图及沿标记线的高度剖面。 d) Ti₃AlC₂、Ti₃C₂ MXene及Ti₃C₂ MXene纳米片的XRD图谱。 e) Ti₃C₂ MXene的XPS全谱。 f) Ti₃C₂中Ti 2p的XPS谱图。 g) 添加H₂O₂前后Ti₃C₂纳米片的水合粒径及溶液颜色变化。 h) TiO₂的XPS全谱。 i) TiO₂中Ti 2p的XPS谱图。 j) TiO₂中O 1s的XPS谱图。 

图2. CaO₂/GOx/Ti₃C₂复合系统的表征及活性氧生成。 a) CaO₂的SEM图像。 b) CaO₂的XRD图谱。 c) CaO₂的溶解氧浓度。 d–g) 不同条件下CaO₂/GOx混合溶液的紫外-可见吸收光谱（pH 7.4、pH 5.4、pH 7.4 + Glu、pH 5.4 + Glu，含KI）。 h) 使用SOSG检测不同体系在超声下的单线态氧生成。 i) H₂O₂ + US、Ti₃C₂ + US、Ti₃C₂ + H₂O₂ + US组的单线态氧生成。

该可注射水凝胶利用Ca²⁺与海藻酸钠的“蛋盒”模型快速交联形成三维网络结构，SEM显示其多孔形态。凝胶行为具有pH/葡萄糖双重响应性：酸性条件下1分钟内即可凝胶化，含葡萄糖系统中通过GOx催化产酸实现持续凝胶化。溶胀实验显示其三阶段吸水行为，降解研究表明5天内完全降解。SOSG检测证实水凝胶在超声下快速产生¹O₂，添加葡萄糖后信号增强近两倍，且热控制实验表明其抗菌机制核心为超声触发¹O₂生成而非热效应。

图3. 可注射CaO₂/GOx/Ti₃C₂@Alg水凝胶的多方面表征。 a) 水凝胶形成示意图。 b) 水凝胶的SEM图像。 c) 不同条件下的凝胶行为。 d) 水凝胶的溶胀性能。 e) 水凝胶的生物降解性能。 f) 水凝胶中¹O₂的生成。 g) 使用SOSG检测含葡萄糖水凝胶中¹O₂的生成。 

体外抗菌实验显示，CaO₂/GOx/Ti₃C₂@Alg水凝胶在超声作用下对MRSA的杀菌率达99%，显著高于各对照组。扫描电镜观察到细菌表面严重皱缩和细胞壁破裂，Live/Dead染色显示红色荧光（死菌）强度增强21倍，绿色荧光（活菌）减少85.42%，证实超声声动力疗法有效破坏细菌膜完整性。此外，该水凝胶对MRSA生物膜也表现出高效清除能力，晶体紫染色和菌落计数显示生物膜破坏率达97%，存活率仅2.8%；激光共聚焦三维成像可见几乎无绿色荧光，表明¹O₂有效穿透胞外基质实现彻底杀菌。

图4. CaO₂/GOx/Ti₃C₂@Alg水凝胶的抗菌效果与机制。 a) 不同处理组MRSA平板涂布图像。 b) 不同处理组MRSA存活率。 c) 处理后的MRSA的SEM图像。 d) 不同处理组细菌死活荧光图像。 e) 死活荧光定量分析。 

图5. 水凝胶对MRSA生物膜的清除活性。 a) 不同处理后生物膜的结晶紫染色照片。 b) 各组生物膜破坏率。 c) 平板菌落图像。 d) 菌落定量数据。 e) 不同处理后生物膜的3D荧光图像。 f) 生物膜破坏定量分析。 

在糖尿病小鼠皮下脓肿模型中，CaO₂/GOx/Ti₃C₂@Alg溶液注射5分钟内即形成水凝胶。治疗12天后，超声处理组脓肿基本愈合，其他组仍存在感染灶。组织匀浆培养表明超声辅助下杀菌率近100%。DHE染色显示治疗组红色荧光显著增强，证实局部大量ROS生成。H&E和Masson染色显示治疗组表皮再生和胶原沉积最佳，体重和血钙水平稳定，肝肾功能及血常规指标均正常，主要器官未见异常，表明该系统具有优异生物相容性和安全性。

图6. 糖尿病脓肿愈合的体内评估。 a) 体内治疗过程示意图。 b) 不同处理后感染区域照片。 c) 不同时间点脓肿面积统计。 d) 治疗后存活细菌比例。 e) 组织匀浆平板培养图像。 f) 感染组织切片H&E染色。 g) 小鼠体重变化。 

图7. 水凝胶的体内生物安全性。 a) 各组小鼠主要器官H&E切片。 b) 感染组织Masson染色。 c) 小鼠血液常规分析。

该研究开发的智能响应型水凝胶通过级联反应精准调控微环境并原位生成声敏剂，实现了高效抗菌和生物膜清除，为糖尿病相关感染的治疗提供了新思路。未来，该策略有望应用于其他慢性感染性疾病，推动微环境调控型抗菌材料的发展。