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针对上述问题，四川大学生物医学工程学院黄忠兵教授团队设计了一种响应NIR-II光的光热水凝胶贴片（PAM/Alg/AuNCs），用于增强硬脑膜再生和潜在的颅内组织修复。PDA包覆的AuNCs顺利获得一锅法合成，嵌入PAM/Alg水凝胶基质中，顺利获得PAM交联网络和Ca²⁺与Alg之间的离子键实现双交联。系统表征了复合水凝胶的组成、微观结构、机械柔性和光热性能，并评估了其在NIR-II照射下对硬脑膜缺损和轻度脑损伤的体内修复能力，同时探索了修复机制。该文章于2025年5月30日以《PDA-Au-nanocluster-loaded polyacrylamide alginate hydrogels for dural repair and functional recovery》为题发表于《Chemical Engineering Journal》（DOI: 10.1016/j.cej.2025.164274）。

（1）PAM/Alg/AuNCs水凝胶的机械和溶胀性能

顺利获得五因素四水平正交实验优化水凝胶配方。PAM与Alg比例对拉伸性能影响最显著，PAM:Alg为6:0.75时拉伸应力最大（161 kPa），拉伸应变达3.6倍，杨氏模量为353.69 kPa。最佳制备条件为：PAM 10%、PAM:Alg 6:0.75、AlgH:AlgL 1:1、Ca²⁺ 0.375 M、AuNCs 500 μg/mL。该水凝胶的应变能力远超人体硬脑膜的弹性（11±3%）。溶胀实验表明，冻干水凝胶在10 h内接近溶胀平衡，体内实验使用0.5-1 mm厚、48.39±5.28 mg的水凝胶，对脑部压力可忽略不计。

图1. (A) PAM/Alg/AuNCs水凝胶合成示意图。(B) AuNCs、PAM/Alg和PAM/Alg/AuNCs的FT-IR光谱图。(C和D) AuNCs的SEM和TEM图像。(E和F) AuNCs的HRTEM图像。(G和H) PAM/Alg/AuNCs水凝胶表面和横截面的SEM图像。(I) PAM/Alg水凝胶横截面的SEM图像。

（2）PAM/Alg/AuNCs水凝胶的光热响应

正交实验显示PAM浓度对光热升温影响最显著，10% PAM效果最佳，升温24°C。AuNCs浓度越高光热响应越强，纯PAM/Alg水凝胶无显著光热效应。NIR-II功率可调控加热温度，1.0 W/cm²下升温效果良好。大鼠头皮覆盖下模拟体内环境，升温约5°C。5次NIR-II照射循环中最高温度稳定无衰减，表明水凝胶在液体环境中具有良好的光热稳定性。

图2. PAM/Alg/AuNCs水凝胶的光热性能。(A) 不同CPAM和CPAM:CAlg比例、(B) AlgH:AlgL和Ca²⁺浓度下光热效应正交结果的范围图。(C和D) 不同AuNCs浓度和不同NIR-II功率下PAM/Alg/AuNCs水凝胶的升温结果。(E) 有无大鼠头皮覆盖时PAM/Alg/AuNCs水凝胶的升温效果。(F) PAM/Alg/AuNCs水凝胶经5次NIR-II照射后的光热循环曲线。

（3）体外生物相容性

L929细胞与不同AuNCs浓度水凝胶共培养1-3天，0-500 μg/mL时细胞活性>80%。细胞划痕实验显示500 μg/mL AuNCs时迁移效果最佳（约30%划痕愈合率），1000 μg/mL时因空间限制效果下降。最终确定AuNCs浓度为500 μg/mL。光热实验分四组：对照组、NIR-II组、水凝胶组和水凝胶+NIR-II组，结果显示水凝胶+NIR-II组显著促进成纤维细胞增殖。体外降解实验显示水凝胶在PBS中37°C下3周质量损失约25%，确保关键愈合期的机械支撑和密封能力。

图3. (A) 不同AuNCs浓度水凝胶上L929细胞的活性。(B和C) 不同AuNCs浓度水凝胶上细胞划痕愈合实验的图像及定量结果。P < 0.05，P < 0.01，P < 0.001。

（4）PAM/Alg/AuNCs水凝胶对硬脑膜缺损的修复效果

在SD大鼠左侧头部建立4 mm直径颅骨缺损，构建硬脑膜损伤和轻度脑损伤模型。54只6周龄雄性SD大鼠分为对照组、水凝胶组和水凝胶+NIR-II组，水凝胶+NIR-II组每周照射2次，每次4轮NIR-II（1 W/cm²），间隔5分钟。所有实验动物存活率良好，术后行为正常，无癫痫发作或运动不协调，伤口愈合良好，无感染或皮下积液迹象。

解剖观察显示，对照组硬脑膜缺损和下方脑组织粘连更严重；水凝胶组和水凝胶+NIR-II组水凝胶有效覆盖缺损区域，表面包裹纤维结缔组织，无脑脊液泄漏和水凝胶明显降解或断裂。术后8周，对照组脑组织粘连和表面瘢痕显著；水凝胶组和水凝胶+NIR-II组缺损区域光滑无明显缺陷和脑组织粘连导致的表面脑瘢痕。

脑脊液Giemsa染色显示，对照组术后4周和12周均可见炎症细胞；水凝胶组和水凝胶+NIR-II组各时间点脑脊液中均无显著炎症细胞。水凝胶+NIR-II组炎症细胞数量始终低于水凝胶组，归因于NIR-II促进硬脑膜缺损更快修复，在生物胶降解后更快实现密封。

MRI检测显示，术后2周对照组和水凝胶组仰卧位有脑脊液泄漏（T2高信号），水凝胶组因生物胶降解出现边缘渗漏；水凝胶+NIR-II组无高信号，表明NIR-II照射促进缺损周围组织修复并形成脑脊液泄漏屏障。术后8周和10周，水凝胶组和水凝胶+NIR-II组均无脑脊液泄漏，表明水凝胶可单独实现完全硬脑膜缺损闭合，NIR-II照射可引导脑膜生长并加速修复。

图4. (A) 大鼠硬脑膜缺损示意图。(B) 术后8周脑组织粘连图像；黄色圆圈显示脑组织表面的瘢痕和粘连，白色圆圈显示脑组织表面光滑、无明显粘连。(C) 脑脊液的Giemsa染色；红色箭头指示炎性细胞。(D) 不同修复时间脑脊液中的炎性细胞数量。不同时间点之间（P < 0.05）及不同组之间（P < 0.05）均存在显著差异。(E) 不同修复时间的仰卧位MRI图像；红色箭头指示脑脊液漏，蓝色箭头指示成功封堵无渗漏，黄色箭头指示脑组织肿胀。

（5）组织学分析

HE和MT染色显示，对照组2周硬脑膜缺损清晰可见，周围有炎症细胞浸润；4周缺损周围血管增加，脑瘢痕组织由无序胶原纤维组成；6周修复脑瘢痕进一步扩展；8周脑组织与覆盖组织边界不清，脑组织肿胀，炎症细胞浸润，神经水肿；12周脑表面瘢痕持续扩展，出现显著脑组织缺损。MT染色显示对照组蓝色胶原纤维深入脑组织，相互缠绕，边界模糊，确认脑修复和粘连形成。

水凝胶组和水凝胶+NIR-II组2周可见新生脑膜组织向外延伸，NIR-II组新生胶原纤维更丰富，新生脑膜组织更厚、延伸更远（红三角），表明NIR-II照射显著增强硬脑膜早期修复。4周两组均无明显炎症细胞浸润和脑瘢痕，水凝胶+NIR-II组缺损有向缺口延伸趋势。6周水凝胶组脑组织与新生脑膜组织边界清晰，神经细胞排列正常；水凝胶+NIR-II组新生脑膜厚度增加，脑表面光滑无肿胀或水肿，新生血管和规则排列的胶原纤维显著增加，无脑组织粘连。8周和12周两组新生纤维和血管增加，但水凝胶+NIR-II组修复速度和效果优于水凝胶组，出现陆续在且更好的脑膜结构。

免疫组化分析显示，水凝胶+NIR-II组GFAP和IBA-1表达水平显著低于其他两组，表明对脑瘢痕形成抑制作用更强。TNF-α和COX-2表达在水凝胶组和水凝胶+NIR-II组均显著低于对照组，水凝胶+NIR-II组最低，表明水凝胶本身具有抗炎性，光热作用可抑制M1巨噬细胞极化并促进M2巨噬细胞极化。VEGF表达在水凝胶+NIR-II组显著高于水凝胶组，与血管生成增加一致。BDNF和NGF表达在水凝胶+NIR-II组也显著高于水凝胶组，表明光热转换可促进两种神经营养因子表达，有助于硬脑膜功能重建和脑组织损伤修复。

主要器官H&E染色显示水凝胶植入后各器官无明显病理变化，表明良好生物相容性。ICP分析显示，随着植入时间延长，器官组织中Au残留量逐渐减少，水凝胶+NIR-II组脑组织中Au残留量显著低于水凝胶组，表明NIR-II照射可促进水凝胶降解，增强Au代谢清除。

图5. (A和B) 不同修复时间硬脑膜缺损处HE染色和MT染色切片的图像。黑色星号显示脑组织缺损，黄色星号显示脑瘢痕。红色箭头显示血管，黄色箭头显示新生胶原纤维。术后12周免疫组化半定量结果：(C) GFAP和IBA-1，(D) TNF-α和COX-2，以及(E) VEGF、BDNF和NGF。P < 0.05，P < 0.01，P < 0.001。

（6）修复机制讨论

PAM/Alg/AuNCs水凝胶在NIR-II照射下的治疗系统最终实现抗炎镇痛、促进组织和血管再生、增强神经修复、减轻硬脑膜缺损常伴随的脑损伤。DA自聚合成PDA包覆AuNCs，顺利获得氢键与聚丙烯酰胺链连接。NIR-II照射诱导的局部加热加速伤口愈合和组织重塑，增强硬脑膜修复。硬脑膜缺损不仅易发生脑脊液泄漏，还易纤维化导致脑瘢痕形成，触发炎症反应和后续脑损伤，包括成纤维细胞浸润、炎症细胞激活、细胞因子释放和神经元破坏。在该治疗系统下，水凝胶的生物相容性和NIR-II光的生物调节效应可抑制星形胶质细胞和小胶质细胞的激活和增殖，从而抑制GFAP和IBA-1表达，防止脑瘢痕形成。温和光热效应可上调VEGF表达，促进新生微血管形成，支持细胞增殖和缺损修复。温和光热效应下，神经元细胞上的TRPV1通道被热刺激打开，触发Ca²⁺内流并激活与BDNF和NGF分泌相关的信号通路（CaMK和PKA通路），BDNF和NGF顺利获得结合各自受体（TrkB和TrkA）激活下游PI3K/Akt和MAPK信号通路，调节神经干细胞增殖和分化，促进神经元存活、再生和突触可塑性。

图6. 硬脑膜损伤与轻度脑损伤模型示意图及NIR-II下PAM/Alg/AuNCs水凝胶的主要修复机制：(A) AuNCs和PAM/Alg/AuNCs水凝胶的制备与缺损覆盖。(B) 硬脑膜缺损与轻度脑损伤模型。PAM/Alg/AuNCs水凝胶覆盖后硬脑膜的修复过程(C)及NIR-II照射后(D)。(E) 硬脑膜缺损的损伤机制。(F) NIR-II下PAM/Alg/AuNCs水凝胶修复硬脑膜的主要机制。