结果

 一、水凝胶电解液中氢气的生成、储存与扩散

铂（Pt）催化析氢反应效率优异，同时生物相容性良好，因此本研究选用铂作为析氢电催化剂。通过扫描电镜‑能谱表征可以证实，铂纳米颗粒已经成功负载在钛电极表面（补充图1a）。线性扫描伏安法（LSV）、电化学阻抗谱（EIS）等电化学测试结果表明，相较于纯钛电极，铂修饰钛电极（Ti‑Pt）可获得更高电流密度、更低阻抗（补充图1b、1c）；塔菲尔斜率更低，证明电极反应动力学与催化活性得到提升（补充图1d）。恒电位计时测试（CP）证明该电极可以保持12 h稳定的析氢反应（补充图1e）。

为搭建柔性、生物相容性的制氢平台，本研究选取聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为电解液基质。聚乙烯醇可通过冻融法实现物理交联，无需化学交联剂。化学交联剂在析氢过程中易发生氧化还原反应，会破坏电极结构、劣化水凝胶力学性能，因此物理交联方式可以保障电化学体系稳定。本文通过测定氢气在聚合物溶液中的溶解度，探究聚乙烯醇水凝胶与氢气的相互作用。相较于不含聚合物的硫酸钠溶液，添加聚乙烯醇、明胶、海藻酸钠后，氢气饱和溶解度出现下降（补充图2），原因是聚合物会降低体系中可用于溶解气体的自由水含量。随着聚乙烯醇浓度从3%提升至6%，氢气溶解度进一步降低。在同等质量分数条件下，不同聚合物体系的氢气溶解度差异相对较小。

为探究电极在水凝胶环境下的电化学性能，以0.1 mol/L硫酸钠溶液为溶剂，通过冻融物理交联法制备了三种聚乙烯醇浓度（3%、6%、10%）的水凝胶电解液。液态电解液与水凝胶电解液最核心的区别在于析氢过程中的气泡动力学行为。在不含聚乙烯醇的0.1 mol/L硫酸钠溶液中，当气泡浮力大于气泡与电极间的黏附力时，气泡就会脱离电极逸散（补充视频1）。而在水凝胶体系中，弹性网络会将气泡束缚在水凝胶基质内部或是电极‑水凝胶界面处（补充视频2‑4）。未经过冻融交联的聚乙烯醇前驱液无法实现数小时尺度下长效捕获氢气（补充视频5），证明聚合物交联网络对长期截留氢气气泡起到关键作用。水凝胶网络截留气泡、限制电解液扩散，会造成体系电流密度下降、阻抗升高，电化学稳定性变差（图2a‑d）。

图2 钛‑铂电极在液态电解液与水凝胶电解液中的电化学表征

a：钛‑铂电极在硫酸钠溶液与不同水凝胶体系中的线性扫描伏安曲线。

b：在‑600 mV（相对于可逆氢电极）、100 kHz~0.1 Hz频率区间下钛‑铂电极的电化学阻抗谱；CPE为常相位元件。

c：‑600 mV（相对于可逆氢电极）、10 kHz条件下钛‑铂电极的电化学阻抗时序谱。

d：恒电流计时法测试钛‑铂电极反应动力学；恒定电流密度‑4.4 mA·cm⁻²，持续5 min。

e：不同电解液中钛‑铂丝电极表面气泡形貌图；恒定电流密度‑4.4 mA·cm⁻²，持续5 min。

f：不同水凝胶体系中距离电极最远气泡的距离（独立实验，n=4）；P₃%‑6%=0.0440。

g：硫酸钠溶液和不同水凝胶体系中氢气向空气中的泄漏量；总电荷量‑0.5 mA，通电5 min（独立实验，n=4）；P₃%‑6%=0.0006，P₃%‑溶液＜0.0001。

h：显微CT对比液态电解液与3%聚乙烯醇水凝胶内部的氢气截留情况。

i：钛网表面分别包覆液态电解液、水凝胶之后的氢气扩散测试；通电电流‑5 mA，时长6 min；曲线为氢气传感器在不同时间检测到的溶解氢浓度（独立实验，n=3）。

j：通电6 min后，不同通电电流下的溶解氢浓度（独立实验，n=3）。

k：仿真模拟：水凝胶内部封存9.33 μmol氢气后，0 h、1 h、12 h、24 h的氢气扩散分布（上图）；透明敷料膜上方0~1 cm区间内0‑24 h氢气浓度热分布图（下图）；0 mm位置代表透明敷料膜。所有数据表示为平均值±标准差；图f、g中P值由单因素方差分析结合图基多重比较检验得到。

气泡形貌由水凝胶的聚合物含量和弹性模量决定。3%聚乙烯醇水凝胶模量最低（补充图3、4），气泡呈相互独立的离散形态。聚合物含量越高，水凝胶模量越高，在同等外力作用下产生的形变量更小（补充图5），会将气泡挤压至电极表面；进而造成水凝胶从电极上剥离，形成氢气传输通道（图2e、2f），力学仿真结果也印证了该现象（补充图6）。氢气通道会遮蔽催化活性位点、降低电极有效表面积。因此随着聚乙烯醇含量升高，电流密度进一步降低、电化学阻抗增大（图2a、2b，补充图7）。

基于兰德尔斯等效电路模型对图2b的电化学阻抗谱进行拟合，Rs、RCT、CPE分别代表溶液电阻、电荷转移电阻、常相位元件。拟合结果显示，随着水凝胶聚合物浓度升高，溶液电阻Rs、电荷转移电阻RCT增大，常相位元件CPE数值降低（补充表2）。原因在于高浓度聚合物网络结构致密，电极有效面积减小、电解液传质受限。同时被包裹的气体介电常数约为1，远低于水（78.2），界面电容也随之降低。电化学阻抗时序谱（EITS）结果显示，随着气泡在水凝胶电解液中不断累积，阻抗实部、虚部以及总阻抗均会随时间不断升高；液态电解液的阻抗则可以保持稳定（图2c、补充图8）。

对6%、10%聚乙烯醇水凝胶体系施加恒定电流时，钛‑铂电极的电压会出现周期性振荡（图2d）；10%水凝胶在电化学阻抗时序谱测试中同样出现阻抗振荡（图2c、补充图8）。视频观测可同步观察到器件发生机械振动（补充视频3‑4、补充图9）。该现象是由于钛‑水凝胶‑空气界面的氢气通道准周期性释放气体，引发体系动力学失稳导致（补充视频6、补充图10）。与之对比，3%聚乙烯醇水凝胶中气泡相互独立，不会形成连通的气体通道，无电压波动与机械振动（补充视频2、补充图11）。在相同通电条件下，3%水凝胶体系氢气泄漏量最低，稳定性最优（图2g、补充图12‑13）。若将聚乙烯醇浓度降至2%，冻融处理后无法形成凝胶，依旧为液态，不能截留气体（补充图14）。未经交联的3%聚乙烯醇前驱液同样无法有效捕获氢气（补充图15）。增加3%聚乙烯醇水凝胶的冻融循环次数会缩小孔隙尺寸，减慢氢气扩散速率，降低储氢能力（补充图16）。综合电化学性能与储氢能力，本研究选用经过1次冻融制备的3%聚乙烯醇水凝胶电解液开展后续实验。

现有的氢气疗法大多依赖密闭环境：将细胞或实验动物放置在可精准调控氢气、氧气浓度的密闭舱内进行实验。该模式存在明显临床短板：患者需要长期保持固定姿势，同时氢气易燃易爆，存在安全隐患。依托水凝胶的气体截留机制，我们开发了一套开放体系电化学器件，可实现长效氢气递送。在‑0.5 mA电流下通电5 min后，将钛‑铂丝电极分别置于3%聚乙烯醇水凝胶、硫酸钠溶液电解液中进行显微CT表征，结果显示水凝胶内部截留了17.6 mm³气体，液态电解液几乎无法留存气体（图2h），该数值与常温常压下理论产氢体积18.7 mm³基本吻合。需要说明的是，显微CT观测到的截留气体除氢气外，还包含氧气、氮气、二氧化碳等环境溶解气体，因此与气相色谱测得的氢气泄漏量结果存在小幅偏差。

水凝胶的储氢特性改变了氢气的扩散规律。为探究水凝胶调控氢气扩散的机制，我们搭建氢气检测装置：利用钛网电极提升产氢量，采用3M透明敷料膜隔开电化学器件与装有检测溶液的腔体（补充图17a）。先在钛网表面电沉积铂纳米颗粒，再包覆一层厚度1.3 mm的3%聚乙烯醇水凝胶，制备钛网‑水凝胶电化学器件。仿真结果表明（补充图18），水凝胶厚度会改变氢气峰值浓度与有效治疗时长。实际透过透明敷料膜的氢气扩散检测结果证明：相较于硫酸钠液态电解液，水凝胶包覆组的氢气峰值浓度更高、释放周期更长。在仅消耗0.5 mAh电能的条件下，氢气有效治疗浓度（氢气浓度＞25 μM）的持续时长由0.65 h延长至23.5 h，提升约36倍（图2i）。水凝胶实现氢气长效扩散并维持有效治疗浓度，显著提高氢气利用率。钛网表面氢气气泡的光学成像显示气泡体积会随时间逐渐缩小（补充图19）；当尺寸降低至临界值后气泡体积趋于稳定。该现象的原因是：长期受气泡挤压后，水凝胶聚合物网络产生残余弹性形变，无法完全回弹。我们还可以通过调节施加电流，精准调控氢气释放曲线，适配不同临床氢气治疗场景（图2j）。图2k为典型治疗工况下氢气扩散的数值模拟：在生成9.33 μmol氢气（5 mA通电6 min）的条件下，模型预测透明敷料膜表面氢气浓度在85 min达到峰值（约480 μM），随后缓慢衰减（补充图17b）。图2k下图展示了透明敷料膜表面至其上方1 cm区间内0‑24 h的氢气时空浓度分布。结果表明：距离水凝胶界面越近，氢气浓度峰值出现时间越早、峰值浓度越高；距离越远，氢气峰值出现时间越滞后、浓度越低。由此可以证明该递送体系具备局部给药特性；在没有对流、压力驱动的条件下氢气渗透深度有限。即便在24 h之后，水凝胶内部依旧留存溶解态氢气，证明该器件适用于长期治疗。

二、水凝胶递送氢气可以缓解氧化损伤

羟基自由基（•OH）是活性氧中反应活性极强、破坏性极高的一类物质，极易攻击蛋白质、DNA等富电子生物分子。本研究利用芬顿反应（Fe²⁺+H₂O₂=Fe³⁺+•OH+OH⁻）在无细胞体系生成羟基自由基：向高氯酸亚铁溶液中定点加入过氧化氢，诱导产生羟基自由基；以羟基苯基荧光素作为荧光探针，定量检测羟基自由基浓度变化。实验结果如图3a、3b所示：向高氯酸亚铁溶液中加入过氧化氢后，羟基自由基含量快速升高；仅加入等体积磷酸盐缓冲液（PBS）则无明显变化。利用钛网‑水凝胶电化学器件提前供给氢气预处理高氯酸亚铁溶液，可显著降低羟基自由基水平，证明氢气能够有效清除羟基自由基。

图3 无细胞体系以及体外细胞实验中，水凝胶电化学电池供给氢气可以减轻氧化损伤

a：钛‑铂（Ti‑Pt）电极在硫酸钠溶液以及不同水凝胶体系中的线性扫描伏安曲线（LSV）。

b：在‑600 mV（相对于可逆氢电极 RHE）电位、100 kHz‑0.1 Hz 频率区间下钛‑铂电极的电化学阻抗谱（EIS）；CPE 为常相位元件。

c：在‑600 mV（相对于可逆氢电极）、10 kHz 条件下钛‑铂电极的电化学阻抗时序谱（EITS）。

d：钛‑铂电极反应动力学的恒电流计时（CP）测试；恒定电流密度‑4.4 mA・cm⁻²，持续通电 5 min。

e：不同电解液体系下钛‑铂丝电极表面气泡形态实拍图；恒定电流密度‑4.4 mA・cm⁻²，通电时长 5 min。

f：不同水凝胶体系中距离电极最远气泡的距离（独立实验，样本数 n=4）；P3=0.0440。

g：硫酸钠溶液与不同水凝胶体系中氢气向空气的泄漏量；通电电流‑0.5 mA，通电 5 min（独立实验，n=4）；P3=0.0006，P3<0.0001。

h：显微 CT 表征对比液态电解液与 3% 水凝胶电解液内部的氢气截留情况。

i：钛网表面分别包覆液态电解液、水凝胶后的氢气扩散实验；通电电流‑5 mA，通电 6 min。该图为氢气传感器检测得到不同时间点溶解氢的浓度变化（独立实验，n=3）。

j：通电 6 min，不同通电电流条件下的溶解氢浓度（独立实验，n=3）。

k：水凝胶内部封存 9.33 μmol 氢气后，0 h、1 h、12 h、24 h 的氢气扩散仿真结果（上图）；透明敷料膜上方 0‑1 cm 范围内 0‑24 h 氢气浓度分布热图（下图）；0 mm 位置对应透明敷料膜界面。

所有实验数据均表示为平均值 ± 标准差；图 f、g 中的 P 值由单因素方差分析结合图基（Tukey）多重比较检验得出。

为在开展器官层面实验前验证氢气的体外治疗效果，本研究构建铜‑维生素C介导的芬顿反应细胞模型。该模型可将细胞内源性过氧化氢转化为羟基自由基，诱导剧烈的氧化应激（图3c、d）。将心肌细胞（CM）与HaCaT角质形成细胞接种于透明敷料膜上；该薄膜允许氢气扩散，同时隔绝电解液渗透、防止漏电（补充图20）。钛网‑水凝胶装置生成、储存并向细胞释放氢气（图3c）。值得一提的是，透明敷料膜透气不透液，器件工作期间及工作后膜腔内部pH值可保持稳定（补充图21a）；随着氢气扩散置换溶液内的氧气，体系氧含量随之下降（补充图21b）。该设计既保证氢气扩散进入组织，还可以避免水凝胶直接接触生物电解液、蛋白质以及组织间液。采用CellROX、H2DCFDA荧光探针检测细胞内活性氧水平：相较于空白对照组，经Cu+Vc处理后细胞活性氧水平显著升高；施加氢气干预后活性氧含量明显回落（图3e、f，补充图22‑24）。

本研究利用PI‑Hoechst染色法以及PI流式细胞术，分别检测氧化应激条件下心肌细胞、HaCaT角质形成细胞在不同处理组的细胞存活率。氢气干预可将Cu+Vc诱导的心肌细胞死亡率由约60%降至25%（图3g、补充图25），角质形成细胞死亡率由70%降至30%（补充图26、27）；心肌细胞流式实验进一步验证该结果（图3h、i）。为排除电刺激本身带来的干预效果，本研究增设对照实验：使用未负载催化剂的两片钛网，在电极两端施加2 V电压。结果表明Cu+Vc组与“Cu+Vc+单纯电刺激”组的心肌细胞死亡率无统计学差异（补充图28）。

在Cu+Vc诱导氧化应激的心肌细胞中，氢气处理组的炎症标志物NLRP3、Caspase‑1蛋白表达量相较于无氢气干预组显著下调；空白对照组与仅氢气处理组之间无明显差异（图3j、k，补充图29、30）。以上结果证明，钛网‑水凝胶生物电子系统递送的氢气可调控NF‑κB信号通路，抑制炎症反应，减轻氧化损伤、提升细胞存活率（图3l）。

 膜电极组件‑水凝胶递送氢气缓解心脏缺血‑再灌注损伤

为在组织层面探究该水凝胶生物电子器件的治疗潜力，本实验选用心肌缺血‑再灌注损伤模型开展研究。该病理模型的典型特征为活性氧大量累积、组织损伤加剧，与临床病症高度贴合。

本研究设计一体式膜电极组件‑水凝胶（MEA‑hydrogel）生物电子器件，无需额外的参比电极与对电极（图4a下图）。该紧凑型装置将Ti‑Pt阴极电极、Ti‑IrO₂阳极电极分别固定在纳菲离子质子交换膜两侧，整体包埋进水凝胶基质中，构成可实现电解水、便于便携使用的生物电子器件（补充图31）。本实验对二氧化铱（IrO₂）催化剂的稳定性、析氧反应效率进行全面表征验证（补充图32）。质子经由质子交换膜传导，在阴极Ti‑Pt电极侧发生析氢反应生成氢气。在钛网表面电沉积铂、二氧化铱可以优化电极电化学性能、降低界面阻抗（图4b，补充图33）。虽然水凝胶包覆会小幅降低膜电极组件本身的电化学性能，但可以实现气体截留与可控扩散，这是氢气治疗不可或缺的条件。本研究测定了MEA‑水凝胶器件的最大储氢容量，证实其可以储存单次5 mA通电6 min过程产生的全部氢气（补充图34a）。器件可实现多次循环制氢；即便经过多次通电循环，水凝胶依旧可以维持约80%的储气效率，同时力学性能保持稳定（补充图34c、d、35）。为评估器件使用安全性，本研究开展明火燃烧实验（补充视频7、补充图36）：器件产氢后未出现持续燃烧，证明水凝胶基质可以缓冲氢气释放，实现安全的非燃烧式释氢。

图4 膜电极组件‑水凝胶递送氢气在离体模型中保护心脏组织、维持心脏功能，减轻缺血‑再灌注损伤

a：用于离体缺血心脏氢气治疗的MEA‑水凝胶器件示意图、实物照片以及实验装置。

b：三组膜电极组件样品在1 V~3 V区间的线性扫描伏安曲线（分别为未电沉积Pt/IrO₂的裸膜电极、浸泡在硫酸钠电解液中的膜电极、包覆3%PVA水凝胶的膜电极）；纵坐标为阴阳极之间的表观电流密度。

c：离体大鼠心脏实验装置与实验流程。氢气治疗组：将离体大鼠心脏放置于37 ℃台氏缓冲液中维持生理温度，心脏置于透明敷料膜上方；在缺血阶段，将MEA‑水凝胶器件放置在敷料膜下方，以5 mA恒定电流通电6 min制备氢气。

d：心脏切片经TTC染色后的代表性照片，白色区域代表心肌梗死区域。

e：各组梗死面积定量统计（独立实验，n=5）；数据为平均值±标准差；P值由单因素方差分析结合图基多重比较检验计算。

f：再灌注启动后，有无氢气干预组离体大鼠心脏的左心室压力（LVP）变化曲线（独立实验，n=3）。

g：图f左心室压力信号的频谱图，虚线框标注分析区域。

h：用于记录离体大鼠心脏心电图的多通道电极阵列实物图。

i：空白对照组、缺血‑再灌注组、氢气干预缺血‑再灌注组的左心室压力、心电图以及心电传导延迟结果（独立实验，n=3）。图a、c由BioRender.com绘制。

本实验采用朗根多夫（Langendorff）离体心脏缺血‑再灌注模型评估MEA‑水凝胶器件的治疗效果（图4a、c）。在离体心脏左心室内置入注生理盐水的气囊，实时记录左心室压力（LVP）。采用台氏缓冲液灌流心脏1 h；随后停止灌流30 min构建缺血损伤，再恢复灌流进行45 min再灌注。缺血阶段将离体心脏放置在透明敷料膜上，MEA‑水凝胶器件置于敷料膜下端；通过5 mA、6 min的短时通电在水凝胶内生成氢气，持续释放至心肌组织。利用经过三维扫描重建的大鼠心脏模型，在透明敷料腔体内完成氢气扩散仿真。模拟结果表明，在30 min缺血周期内，与敷料膜相接触的心肌区域可以富集大量氢气，能够清除再灌注后爆发式生成的羟基自由基（活性氧）（补充图37）。缺血‑再灌注处理结束后，利用氯化三苯基四氮唑（TTC）对心脏切片染色，统计梗死范围。结果表明：相较于无氢气对照组，氢气治疗组的心肌梗死面积显著减小（图4d、e）。

心脏功能检测结果与组织学实验结论相互印证。左心室压力检测以及频谱分析显示：再灌注后3 min内，氢气处理组心脏即可恢复规律的收缩活动，收缩压力更高、收缩周期稳定（图4f、g）。再灌注45 min后，氢气干预组的心率、左心室压力、心电图形态均可恢复至损伤前健康水平；未施加氢气的缺血‑再灌注组则出现心律失常、心肌收缩力下降（图4i）。本研究还验证该器件可直接贴附于心外膜，向心肌供给氢气、改善心脏功能，证明该方案具备实际应用潜力（补充图38）。

本实验使用柔性16通道微电极阵列记录心外膜电位，直接评估心电传导特性（图4h）。再灌注后等时电位图显示，缺血‑再灌注模型心脏心电传导出现明显延迟；氢气干预后心电传导延迟得到显著改善（图4i）。

综上，由MEA‑水凝胶生物电子器件原位生成的氢气能够对抗心肌缺血‑再灌注损伤，缩小心肌梗死面积、加速心肌收缩功能恢复、修复心电传导通路。该生物电子器件可为氧化应激引发的心肌损伤提供一套临床可行的治疗方案，用于重症冠心病、心脏大手术等高风险患者的心肌保护。

 便携式氢气贴片（H‑Pad）递送氢气用于治疗缺血‑再灌注型皮肤压疮

压疮（褥疮）是全球医疗卫生领域的一大难题，会造成患者剧烈疼痛、生活质量下降，但该病症得到的公共卫生关注度相对有限。现有新型敷料与治疗手段的提升效果十分有限，压疮治疗流程繁杂、耗时长，临床上亟需开发更高效的预防及干预手段。本研究构建一款水凝胶生物电子器件，用于缓解压疮损伤、提升临床治疗效果。

压疮的病理机制为：压力、剪切力、摩擦力等机械载荷叠加患者长期制动，造成局部血流受阻、组织缺血。缺血状态会破坏线粒体电子传递链，诱发活性氧过量生成；当患者体位改变、血流恢复后，再灌注过程会进一步加剧活性氧的产生。过量活性氧会超出组织自身抗氧化代偿能力，诱发氧化应激、炎症紊乱，扰乱细胞因子信号通路，阻碍伤口愈合，最终造成组织坏死。

为实现临床转化，本研究开发氢气贴片（H‑Pad）系统（图5）。该长效释氢平台将MEA‑水凝胶与柔性无线印刷电路板（PCB）集成一体。印刷电路板可以稳定输出电流、实现电压监测并通过低功耗蓝牙完成信号传输（图5a、b，补充图39、40）。电路板功能模块示意图如图5a（补充图41）所示：微芯片调控数模转换器，经由豪兰（Howland）恒流电路精准控制输出电流，实现氢气的可控生成。

图5 便携式H‑Pad生物电子器件递送氢气用于活体皮肤缺血‑再灌注压疮治疗

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a：印刷电路板主要元器件的功能框图。

b：印刷电路板上的核心元器件。BLE：低功耗蓝牙。

c：构建缺血‑再灌注损伤模型并开展氢气治疗的流程实拍图。

d：用于皮肤压疮治疗的H‑Pad装置结构（由下至上依次为：透明敷料膜、MEA‑水凝胶器件、聚酰亚胺薄膜、印刷电路板）。

e：不同时间点小鼠背部皮肤压疮的代表性实拍照片。

f：第7天时氢气治疗组与对照组创面的红外热成像图。

g：第7天时氢气治疗组和对照组创面最低温度统计（独立实验，n=5）；。

h：第7天时氢气治疗组与对照组创面面积对比（独立实验，n=5）；。

i：第7天时两组创面组织苏木精‑伊红（H&E）染色图；氢气组真皮层厚度更大、组织水肿程度更轻。

j：第7天时小鼠背部压疮真皮层厚度定量结果（独立实验，n=5）。

k：第7天时氢气组与对照组炎症病灶面积对比（独立实验，n=5）。

l：氢气干预后创面组织CD4免疫组化染色结果，表明免疫炎症反应趋于缓和。

m：第7天时氢气治疗组与对照组CD4阳性细胞数量统计（独立实验，n=5）。

n：氢气处理后创面组织CD31免疫组化染色，证明新生血管数量增加。

o：第7天时氢气组与对照组新生血管数量统计（独立实验，n=5）。

所有数据表示为平均值±标准差；图g、h、j、k、m、o的P值均采用双尾独立样本t检验计算。

本研究采用已发表的造模方案构建小鼠背部皮肤压疮模型：利用两块磁铁持续挤压小鼠背部皮肤6 h，松开磁铁形成缺血‑再灌注损伤（图5c，补充图42）。氢气治疗组（5只小鼠）使用H‑Pad贴片干预；对照组（5只小鼠）仅覆盖透明敷料膜。配套上位机交互界面用于控制系统运行（补充图43）；在造模后前36 h内，每间隔12 h通电一次，通电参数为5 mA、6 min，一共循环3次，精准靶向再灌注后活性氧爆发的关键阶段（补充图42）。聚酰亚胺薄膜下方产生气泡，可直观观察氢气生成（图5c）。透明敷料膜具备防水性，能够避免水凝胶吸水溶胀（补充图44）。

连续7 d创面观测结果显示：氢气干预组仅在第2、4天出现短暂皮肤泛红，之后创面面积逐步缩小、皮肤组织修复（图5e、h）；对照组皮肤持续发白，伴随环状炎症浸润与组织坏死。红外热成像结果表明氢气组创面局部温度更高，代表组织血流灌注情况与细胞代谢活性得到改善（图5f、g，补充图45）。

苏木精‑伊红（H&E）染色结果显示两组在组织结构、炎症程度上存在显著差异（图5i）。对照组表皮、真皮层严重受损，组织水肿、积液严重，炎症反应剧烈；氢气处理组组织破损程度显著降低，水肿减轻、炎症病灶面积缩小（图5k，补充图46），真皮层厚度增加（图5j），表皮实现再生（补充图47）。为排除单纯电刺激带来的治疗效应，本研究增设阴性对照组：将未负载电催化剂的MEA‑水凝胶贴于小鼠皮肤，在造模后前36 h内，每12 h施加2 V电压、通电6 min，重复3次。该无催化剂实验组创面愈合情况与空白对照组基本一致，表现为皮肤发白、炎性红圈生成、体表温度偏低；组织学切片也显示炎症病灶更大、真皮层更薄。证明仅施加电刺激、不产生氢气时，无法起到组织保护与修复作用（补充图48）。

CD4免疫组化染色结果显示氢气组CD4阳性T细胞数量更少，炎症反应被抑制（图5l、m，补充图49）；CD31免疫组化染色证实氢气处理后创面新生血管显著增多（图5n、o，补充图49）。氧化应激下游标志物NQO‑1免疫染色结果显示，相较于对照组，氢气组NQO‑1表达水平明显下调，进一步证明氢气可有效缓解活性氧诱导的氧化应激损伤（补充图50）。综上，氢气疗法能够减轻活性氧带来的组织损伤、抑制过度炎症反应、促进血管新生，在压疮治疗领域具备良好应用前景。

 讨论

本研究构建一套基于水凝胶的电化学体系，将析氢反应的精准调控、气体局部储存、长效缓释功能融为一体，搭建了一套面向生物医学应用的气体储存与递送平台。本研究阐明了水凝胶聚合物组分、力学性质如何影响析氢电化学动力学、气泡形貌以及储氢性能。体外细胞实验证实，该电化学装置可显著降低活性氧损伤，提升氧化应激环境下心肌细胞、角质形成细胞的存活率。离体心脏实验证明，该体系能够缩小缺血‑再灌注损伤模型的心肌梗死面积，恢复心脏心电传导与收缩功能。活体动物实验中，无线便携式氢气贴片（H‑Pad）可以减轻皮肤压疮的组织损伤，改善局部代谢、抑制炎症反应、加速血管新生。

该水凝胶电化学系统在持续递送治疗性活性物质方面具备巨大潜力。除氢气治疗外，该技术框架还可适配其他生物活性气体（例如氧气疗法）；也可与载药水凝胶结合，通过物理包裹、化学接枝方式负载各类治疗药物，在释放氢气的同时实现药物可控长效释放。结合当下可穿戴无线生物电子、植入式燃料电池、生物传感技术，后续可以集成长效供电模块、皮肤代谢实时监测模块，实现治疗过程的动态监测。还可以依托该电化学‑水凝胶平台，系统性探究治疗性气体对纤维化信号通路的调控机制，明确电化学生成的氢气能否调控慢性损伤模型中成纤维细胞活化、胞外基质重塑。压疮高发于长期卧床、行动不便的病患，未来可以研发可实现可控释氢的智能床垫，减轻活性氧损伤、加速创面愈合。本课题组后续计划将器件升级为集成氢气传感器、MEA‑水凝胶模块的电子理疗床垫，引入PID（比例‑积分‑微分）闭环控制算法实现氢气稳定供给，保障器件能够长期稳定运行。

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