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背景介绍

慢性生物膜感染伤口是糖尿病足溃疡、压力性溃疡等难愈合伤口的主要表现形式，其核心特征在于细菌在伤口内形成由胞外聚合物（EPS，包括多糖、蛋白质和eDNA）构成的保护性生物膜。这种粘稠的基质如同一道坚固的物理屏障，能抵抗宿主免疫、抗生素渗透和物理清创，使细菌以休眠状态持续存活。据统计，超过60%的慢性伤口与生物膜相关，传统抗生素疗法因生物膜屏障和耐药性问题效果有限。与此同时，人体皮肤伤口存在天然的内源性电场（EEF），可引导细胞迁移和组织修复，但在糖尿病等病理条件下，这一电场强度显著减弱且不稳定。虽然电疗可通过外加电场促进伤口愈合，但传统直流电存在组织损伤风险，压电装置又需外部刺激，亟需一种能自主运行、无需外部电源的智能电疗系统。

研究思路

针对上述挑战，苏州大学严锋教授、郭江娜副教授和孙哲副教授团队开发了一种生物膜激活的酶生物燃料电池自供能伤口敷料（EBFC）。该敷料由乳酸氧化酶修饰的碳化布生物阳极（LOx@CF）、胆红素氧化酶修饰的生物阴极（BOx@CF）以及负载鼠李糖乳杆菌（LG）的海藻酸钠水凝胶电解质层（SA@LG）三部分组成。其核心创新在于“以菌治菌”的闭环设计：SA@LG中的LG通过β-半乳糖苷酶活性消耗生物膜中的EPS，将其代谢为乳酸，乳酸反过来作为EBFC的内源性燃料驱动酶电极持续发电（约240 mV，持续超30小时）；同时，LG分泌的细菌素、有机酸等杀菌代谢物可有效杀灭生物膜内的细菌。这一设计将有害的生物膜“变废为宝”——既瓦解了保护屏障，又为电疗提供了能量来源，实现抗菌与电刺激的协同增效。在糖尿病小鼠生物膜感染伤口模型中，EBFC显著加速了伤口愈合（11天残余面积仅4.9%），优于单纯抗菌或单纯电疗。相关内容以Biofilm-Activated Enzymatic Biofuel Cell-Based Self-Powered Wound Dressing发表在ACS Nano！

图片解析

图1. 电解质与生物电极的表征：（a）SEM显示碳化布（CF）在酶固定化后形貌不变。（b）EDX显示LOx@CF和BOx@CF表面N元素信号显著增强，证实酶成功固定。（c-d）FTIR显示LOx和BOx的特征酰胺峰（N-H、C=O），进一步确认酶修饰。（e-f）固定化酶保留约72.9%（LOx）和84.4%（BOx）的原始活性。（g）SA@LG水凝胶中可见杆状鼠李糖乳杆菌均匀分布。（h）活/死染色显示LG在SA@LG中保持高活性。（i）封装效率达99%。（j）LG持续释放乳酸，12小时达17.3 mM。（k）流变学显示G'>G''，证明水凝胶结构稳定。

图2. EBFC的发电性能：（a）EBFC结构及发电原理示意图——LOx催化乳酸氧化产电子，BOx催化氧还原，SA@LG传导质子。（b）EBFC柔性实物照片。（c-d）CV曲线显示LOx@CF和BOx@CF具有清晰氧化还原峰，证实直接电子转移。（e）电极阻抗较低（LOx@CF 22.9 Ω，BOx@CF 30.0 Ω）。（f）含乳酸时EBFC电荷转移电阻为29.0 Ω。（g）功率密度随乳酸浓度增加而升高，15 mM时达峰值4.99 μW/cm²。（h）30小时后功率密度仅下降23.1%。（i）开路电位在30小时内稳定维持在约240 mV。

图3. 对金黄色葡萄球菌成熟生物膜的清除活性：（a）SA@LG处理后残余生物膜仅27.4%（SA组为94.2%）。（b）EPS荧光染色显示SA@LG组蓝色荧光明显减弱。（c）糖含量显著降低。（d）SA@LG在消耗EPS过程中持续释放乳酸，24小时达13.7 mM。（e）eDNA荧光明显减弱。（f）残余蛋白仅33.1%（SA组为97.6%）。（g）生物膜内细菌存活率降至27.2%。（h）荧光和SEM图像证实SA@LG有效瓦解生物膜结构并杀灭内部细菌。

图4. 生物相容性与电刺激促细胞迁移：（a）SA、SA@LG、LOx@CF和BOx@CF的溶血率均低于5%安全阈值。（b）L929细胞活性均>86%。（c）活/死染色证实材料细胞相容性良好。（d）Transwell实验显示EBFC组迁移细胞数显著多于直流电（DC）组和对照组。（e）划痕实验显示EBFC组在24小时伤口愈合率达90.2%，显著优于DC组（72.4%）和对照组（50.8%）。

图5. 糖尿病生物膜感染伤口体内治疗效果：（a）伤口模型及治疗时间线。（b-c）伤口图像及定量分析显示EBFC组11天残余面积仅4.9%，显著优于阳性对照组（30.3%）。（d）第4天伤口细菌计数显示EBFC组仅剩20.1%。（e-g）伤口电位监测显示EBFC可将受损的EEF从10-35 mV/mm重塑至200-250 mV/mm。（h）EBFC组实时电位稳定在约250 mV。（i-j）炎症因子IL-1β和IL-6表达水平在EBFC组最低。

图6. 组织学分析：（a）H&E、Masson和CD31免疫组化染色图像。（b）EBFC组炎症细胞密度最低（188.3 cells/10⁵ μm²）。（c）胶原沉积率最高（77.7%）。（d）微血管密度最高。结果表明EBFC通过抑制炎症、促进胶原沉积和血管新生加速伤口愈合。

结论

本研究构建的EBFC自供能伤口敷料巧妙地将生物膜这一“有害物”转化为“燃料源”，实现了抗菌与电疗的闭环协同。其核心创新在于：负载的鼠李糖乳杆菌（LG）通过消耗生物膜胞外聚合物（EPS）瓦解屏障并产生乳酸作为内源性燃料；乳酸驱动酶生物燃料电池持续输出约240 mV稳定电场，重塑糖尿病伤口受损的内源性电场；LG分泌的杀菌代谢物同步杀灭生物膜内细菌。这一“消耗-产电-杀菌”三位一体的设计使得敷料仅在生物膜存在时被激活，实现精准的按需治疗。在糖尿病小鼠模型中，EBFC将伤口愈合时间大幅缩短，11天残余面积仅4.9%，同时显著降低炎症因子、促进胶原沉积和血管新生。该自供能、生物膜激活的电疗策略为慢性感染伤口治疗提供了全新范式。

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