《Materials Today》：自供电，三重功效！葡萄糖驱动贴片攻克糖尿病难愈伤口

糖尿病患者伤口愈合缓慢易感染，约 15%-25% 会发展为足部溃疡，甚至面临截肢风险。传统敷料仅能物理防护，无法改善高血糖导致的内源性电场减弱等病理微环境。现有电刺激治疗依赖外部电源，便携性和安全性受限。

这项研究开发出一种葡萄糖驱动的生物电子贴片，利用伤口自身葡萄糖发电，同时整合多重生物功能，显著加速糖尿病伤口愈合。

研究成果以“Glucose-powered bioelectronic patches with a maze-like oxygen-limiting structure accelerate diabetic wound healing”（具有迷宫状限氧结构的葡萄糖驱动生物电子贴片加速糖尿病伤口愈合）为题发表在 Materials Today，清华大学生物医学工程学院李舟教授、北华航天工业学院刘树敏、中国科学院大学纳米科学与工程学院胥玲玲为其通讯作者。

研究创新

研究提出迷宫限氧结构设计，构建基于细菌纤维素三维支架的葡萄糖燃料电池贴片。该结构实现阴阳极反应的选择性分离，大幅提升非生物催化葡萄糖燃料电池的输出性能，峰值功率密度达 96.57μW/cm²，可稳定输出近一周，性能保留率约 87%。贴片同时具备抗菌、抗炎和抗粘连三重功效，在糖尿病小鼠模型中显著增强内源性电场，15 天伤口几乎完全闭合，为自供电电刺激治疗提供了全新解决方案。

研究摘要

糖尿病患者的高血糖环境削弱了伤口部位的内源性电场，阻碍了愈合并导致慢性难愈合溃疡。本研究提出了一种葡萄糖驱动生物电子贴片（GBP），旨在利用内源性葡萄糖产生电能并恢复伤口边缘的电场，从而促进愈合并改善治疗效果。我们利用细菌纤维素（BC）构建了三维柔性电极框架，该框架可高效固定铂颗粒并吸收局部组织液，以促进铂催化反应。此外，引入迷宫式限氧结构以实现葡萄糖和氧气在阳极/阴极的选择性反应，优化了反应界面和物质传输。该GBP实现了96.57 μW cm−2的峰值功率密度，并能维持近一周的稳定高压输出，其性能保留率约为初始值的87%。在糖尿病伤口模型中，该贴片增强了内源性电场，并协同发挥包括抗菌、抗炎和抗粘连在内的多种生物学功能，显著加速了伤口修复过程。本研究不仅提高了非生物催化葡萄糖燃料电池（GFCs）的电输出性能，还为基于内源能量的电刺激疗法提供了新见解。这对于自驱动生物电子设备的开发以及糖尿病难愈合伤口的临床管理具有重要的参考价值。

设计思路

糖尿病伤口的核心问题是高血糖诱导的慢性炎症、感染和内源性电场减弱，传统治疗手段无法同时解决这些问题。电刺激能有效促进组织修复，但依赖外部电源限制了临床应用。葡萄糖燃料电池可利用体液中丰富的葡萄糖发电，同时降低局部葡萄糖浓度，非常适合糖尿病伤口治疗。但传统非生物催化 GFC 存在阴阳极反应竞争、功率密度低、稳定性差的问题。研究人员选择具有三维多孔结构的细菌纤维素作为电极支架，其良好的生物相容性和吸水性适合伤口环境。通过原位还原和电化学共沉积技术，在 BC 上负载不同形态的铂纳米颗粒，构建迷宫限氧结构。阳极外层的 PtNPs 优先消耗溶解氧，创造缺氧微环境，使内层 DPtNPs 专注催化葡萄糖氧化；阴极的 DPtNPs 则高效催化氧还原，实现反应分离提升性能。同时在电极表面镀银提供抗菌功能，利用 BC 的亲水性实现抗粘连。随后系统表征电极和燃料电池的电化学性能，验证生物相容性和多重生物学功能，最后在糖尿病小鼠模型中评估治疗效果，完整验证了设计假设。

柔性GBP增强内源性电场，协同促进抗菌、抗炎和抗粘附效应，加速糖尿病伤口愈合

图文内容

电极贴片的制备与表征

为构建柔性高效的葡萄糖燃料电池电极，研究人员以细菌纤维素为三维支架，分别制备 ADBP 阳极和 ADB 阴极。BC 的层状三维网络结构能均匀负载铂纳米颗粒，平均粒径 74.0±21.4nm，质量分数约 75.8%。阳极表面 DPtNPs 呈多孔微裂纹形貌，阴极则形成微米级花状团簇，显著增加电化学活性面积。贴片可定制不同形状，杨氏模量与人体皮肤匹配，能动态贴合伤口，同时具有快速吸液能力和良好亲水性，为原位发电提供湿润微环境。

Figure 1、电极贴片的制备与表征。(A) 阳极和阴极贴片的制备过程示意图。(B) BC/PtNPs 电极膜的 SEM 图像。(C) BC/PtNPs 电极膜的局部放大 SEM 图像。(D) BC/PtNPs 电极膜的 EDS 图谱。(E) 局部放大 SEM 图像中 PtNPs 的直径分布直方图。(F) BC 和 BC/PtNPs 电极膜的 XRD 图谱。(G) BC/PtNPs 电极膜的 Pt 4f XPS 光谱。(H) ADB 阴极的 SEM 图像。(I) ADB 阴极的 EDS 图谱。(J) ADBP 阳极的 SEM 图像。(K) ADBP 阳极的 EDS 图谱。(L) GFC 贴片可定制为不同尺寸。(M) BC 电极膜、ADBP 阳极和 ADB 阴极在拉伸测试条件下的应力 - 应变曲线。(N) BC 电极膜、ADBP 阳极和 ADB 阴极在室温 1×PBS 中的溶胀性能。(O) BC 电极膜、ADBP 阳极和 ADB 阴极在 1×PBS 条件下的接触角分析。

电极的性能表征与验证

为验证迷宫限氧结构的作用机制，研究人员对阴阳极进行了系统的电化学测试。ADBP 阳极的 PtNPs 扩散层能选择性消耗溶解氧，使内层 DPtNPs 专注催化葡萄糖氧化，反应受扩散控制。引入 DPtNPs 催化层后，阳极电荷转移电阻显著降低，Tafel 斜率为 68.57mV dec⁻¹，反应动力学更快。ADB 阴极的 DPtNPs 催化层能高效催化氧还原，电荷转移电阻降低，Tafel 斜率为 164.42mV dec⁻¹，对氧气具有特异性响应。这些结果证实了限氧结构能有效分离阴阳极反应，提升催化效率。

Figure 3、电极的性能表征与验证。(A) ADBP 阳极材料示意图，由固定在 BC 支架上的银纳米颗粒、原位还原的 PtNPs 和沉积的 DPtNPs 组成。在 ADBP 阳极的扩散层中，少量溶解氧被 PtNPs 催化生成水。同时，在 ADBP 阳极深处的催化层中，葡萄糖被 DPtNPs 催化生成葡萄糖酸和质子，并释放电子。葡萄糖氧化反应在 ADBP 阳极中占主导地位。(B) ADBP 阳极制备过程中，在 50mV s⁻¹ 扫描速率下，电位范围 1.40 至 - 0.40V vs. SCE 的 CV 曲线演变，选取 20、100、200、300、400、500、600 和 700 个循环的 CV 曲线。(C) 在不同液体（H₂O、PBS 和含 5mM、10mM、15mM、20mM 葡萄糖的 PBS）中的 CV 曲线比较（扫描速率：10mV s⁻¹，电位范围：1 至 - 1V vs. SCE）。(D) ABP 和 ADBP 阳极的电化学阻抗谱（EIS）。(用于阳极阻抗分析的等效电路模型。用该电路拟合奈奎斯特图，提取电极 - 电解质界面的电荷转移电阻。Rs：溶液电阻；CPE：常相位角元件；Rct：电荷转移电阻；Zw：沃伯格阻抗。)(E) ABP 和 ADBP 阳极的极化曲线，以及 (F) Tafel 斜率曲线。(G) ADB 阴极材料示意图，由固定在 BC 支架上的银纳米颗粒和 DPtNPs 组成。DPtNPs 催化质子和溶解氧还原生成水。(H) ADB 阴极制备过程中，在 50mV s⁻¹ 扫描速率下，电位范围 1.40 至 - 0.40V vs. SCE 的 CV 曲线演变，选取 1、2、3、4 和 5 个循环的 CV 曲线。(I) ADB 阴极在 1×PBS 中空气、氮气和氧气饱和条件下的 LSV 曲线比较（扫描速率：10mV s⁻¹，电位范围：1 至 - 1V vs. SCE）。(J) AB 和 ADB 阴极的电化学阻抗谱（EIS）。(阴极和阳极的等效电路模型相同。)(K) AB 和 ADB 阴极的极化曲线，以及 (L) Tafel 斜率曲线。

葡萄糖燃料电池的表征与性能分析

将 ADBP 阳极与 ADB 阴极耦合构建完整的葡萄糖燃料电池，测试其输出性能。开路电压随葡萄糖浓度升高而增加，在 5mM 时达到约 675mV 的峰值。在 15mM 葡萄糖（模拟糖尿病伤口环境）中，燃料电池可稳定输出近一周，6 天后仍保持 432mV，性能保留率 87%。峰值功率密度在 5mM 葡萄糖时达到 96.57μW/cm²，是目前已报道的植入式非生物催化 GFC 中的最高值之一。阻抗匹配测试显示，燃料电池在约 8kΩ 负载时达到**功率输出，与伤口组织电阻范围匹配，能产生有效的电刺激。

Figure 4、葡萄糖燃料电池的表征与性能分析。(A) GFC 发电示意图。(B) GFC 在不同溶液（H₂O、PBS 和含 1mM、2mM、3mM、4mM、5mM、10mM、15mM 葡萄糖的 PBS）中的开路电压变化。(C) PBS 中 GFC 的开路电压与葡萄糖浓度的相关性。(D) GFC 在含 15mM 葡萄糖的 PBS 中的长期测试。不同葡萄糖浓度（1、2、3、4 和 5mM）下 GFC 的：(E) 功率密度与开路电压的关系，(F) 功率密度曲线，以及 (G) 极化曲线。阻抗匹配测试：不同外部负载电阻下 GFC 的 (H) 电压、电流和 (I) 功率变化。(J) 本研究 GFC 与其他已报道研究的峰值功率密度比较。

贴片的生物相容性与抗菌性能评估

伤口贴片直接接触人体组织，必须具备良好的生物相容性。细胞实验显示，所有贴片组的 NIH3T3 细胞存活率均接近 100%，无细胞毒性。糖尿病小鼠体内实验中，术后 15 天血常规指标与空白组无显著差异，主要器官 H&E 染色未见炎症浸润或坏死。抗菌实验表明，含银层的 AMs 和 GBP 贴片对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀灭率均超过 96%，抗菌效果主要来自银层持续释放的 Ag⁺，其通过破坏细菌细胞膜和诱导活性氧生成实现杀菌。

Figure 5、不同组分贴片的生物相容性与抗菌性能评估。(A) 不同贴片培养 2 天后 NIH3T3 细胞的活 / 死染色图像。比例尺：100μm。(B) CCK-8 测试评估不同贴片的细胞存活率（n=3）。(C) 不同组小鼠在第 15 天的血常规检查（n=3）。(D) 不同贴片对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌照片。(E) 不同贴片作用下金黄色葡萄球菌的 OD 值，以及 (F) 相应的死亡率（n=3）。(G) 不同贴片作用下大肠杆菌的 OD 值，以及 (H) 相应的死亡率（n=3）。数据以平均值 ± 标准差表示，采用单因素方差分析确定统计学显著性；p<0.05，***p<0.0001；ns，无显著性差异。

贴片的抗粘连性能

传统敷料易与伤口粘连，更换时会造成二次损伤。研究人员采用腹膜 - 肠系膜损伤模型评估贴片的抗粘连性能。BC 和 AMs 贴片表面的高亲水性形成水合界面层，减少蛋白质和细胞的非特异性吸附。术后 3 天大体观察显示，空白组存在紧密的纤维连接，而贴片组组织易于分离。组织学分析表明，贴片组炎症细胞密度显著降低，M1 和 M2 型巨噬细胞浸润均减少，整体免疫反应更接近生理水平，有效预防了病理性粘连。

Figure 6、贴片对糖尿病小鼠肠系膜粘连和炎症反应的影响。(A) 表征贴片抗粘连性能的手术流程。(B) AMs 贴片抗粘连示意图。(C) 术后第 3 天不同组肠系膜的粘连状态。(D) 不同组的 Nair 粘连评分（n≥3）。(E) 第 3 天肠系膜的 H&E 染色。比例尺：50μm；黑色箭头：中性粒细胞。(F) 炎症细胞密度（n=3）。(G) 第 3 天肠系膜中 CD86 的免疫荧光染色图像。比例尺：30μm。(H) M1 巨噬细胞阳性率（n=3）。(I) 第 3 天肠系膜中 CD206 的免疫荧光染色图像。比例尺：30μm。(J) M2 巨噬细胞阳性率（n=3）。数据以平均值 ± 标准差表示，采用单因素方差分析确定统计学显著性；p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001；ns，无显著性差异。

GBP 对糖尿病伤口愈合的治疗效果

在糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型中，GBP 能显著增强伤口内源性电场，稳定维持在约 210mV，而空白组仅约 27mV。持续的电刺激促进角质形成细胞和成纤维细胞迁移增殖，加速再上皮化和胶原沉积。术后 6 天，GBP 组伤口愈合率达 50.29%，是空白组的 2.4 倍；12 天愈合率达 89.93%；15 天伤口几乎完全闭合，相对愈合率是空白组的 1.42 倍。组织学分析显示，GBP 组再上皮化厚度和长度显著高于其他组，胶原沉积更密集，炎症反应更轻，实现了高质量的伤口修复。

Figure 7、GBP 对糖尿病伤口愈合的治疗效果分析。(A) 使用 GBP 治疗糖尿病伤口的时间线。(B) 使用不同贴片的伤口电位 3D 分布图。(C) 整个实验过程中不同贴片的连续伤口电位监测（n≥3）。(D) 不同贴片处理的伤口照片和伤口轮廓。比例尺：14mm。(E) 伤口面积变化率（n=3）。(F) 15 天内不同贴片处理的伤口与空白组相比的相对愈合率（n=3）。(G) 不同组伤口组织的 H&E 染色。比例尺：1mm；GT：肉芽组织；NE：新上皮。(H) 不同组的再上皮化厚度（n=3）。(I) 不同组的再上皮化长度（n=3）。(J) 不同组修复组织中心的天狼星红染色。比例尺：50μm；红色箭头：胶原纤维。(K) 不同组的胶原纤维百分比（n=3）。数据以平均值 ± 标准差表示，采用单因素方差分析确定统计学显著性；p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。

文献信息

Glucose-powered bioelectronic patches with a maze-like oxygen-limiting structure accelerate diabetic wound healing

Ming Yin, Xiangxiang Wang, Engui Wang, Longfei Li, Chang Zhu, Peng Cheng, Haochen Xie, Han Ouyang, Hongqing Feng, Shumin Liu, Zhou Li, Lingling Xu

Materials Today 98 (2026) 103380

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103380