原创Wang YR 抗菌科技圈
第一作者：贺晨卉，于邦瑞
通讯作者：杨建民，郭绍斌
通讯单位：福州大学
研究速览：
近期，杨建民副教授在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了静电纺丝定向纳米纤维和仿生微纳结构的不对称复合敷料用于严重烧伤创面愈合的研究工作，生物材料的表面结构和形貌在指导细胞行为和命运方面起着至关重要的作用。同时，模拟自然皮肤结构的非对称敷料已被确定为促进伤口愈合的有效策略。受荷叶表皮结构和超疏水结构的启发，通过静电纺丝在海绵两侧构建不对称结构和改性润湿性表面，获得了不对称复合敷料。其中，通过冷冻干燥制备胶原蛋白和季铵化壳聚糖(Col/QCS)海绵，然后在海绵的两侧构建定向聚己内酯/明胶纳米纤维亲水内层(A-PCL/Gel-Cur)和多层微纳结构聚己内酯/聚苯乙烯微球(PCL/PS)高度疏水外层。提出的非对称复合敷料将拓扑形态与材料特性相结合，有效防止细菌定植和感染，并通过引导细胞行为促进伤口愈合。体外实验结果证实，定向纳米纤维内层有效促进细胞粘附、增殖、定向细胞生长和迁移。同时，海绵具有良好的吸水性和抗菌性能，而仿生疏水外层具有强大的机械性能和抗细菌粘附性。体内实验结果表明，该复合敷料可以减少炎症反应，防止感染，加速血管生成和上皮再生，并显著加速严重烧伤的愈合。因此，提出的仿生不对称敷料有望成为严重烧伤创面愈合的候选材料
要点分析：
要点一：基于荷叶效应制备了具有分层微纳结构的疏水外层，其可以防止细菌粘附和污染。定向的纳米纤维内层用于模拟真皮的纳米纤维结构，可以发挥“接触引导”作用，增强细胞粘附、定向生长、增殖、迁移和巨噬细胞极化。
要点二：内载姜黄素具有抗菌和抗氧化活性，减少炎症反应并加速伤口愈合。具有高渗出物吸收能力的海绵基质也可以防止渗出物累积和脱水，从而降低浸渍和感染的风险
要点三：深Ⅱ度烧伤模型证实，该敷料可通过调节CD68、MCP-1、IL-10和TNF-α的表达，有效促进伤口上皮重建和胶原沉积，调节血管生成，改善炎症。根据本研究结果，所提出的不对称复合敷料在严重烧伤创面修复中具有很大的潜力。
图文导读
图1. （A）通过在Col/QCS海绵的两侧静电纺丝对齐的PCL/Gel纳米纤维和多层微纳米结构的PCL/PS，获得了不对称复合敷料。（B）非对称复合敷料中明胶和姜黄素的存在可以与排列方向协同，以改善炎症并加速伤口愈合，而海绵层和疏水外层可以防止细菌感染。（C）定下排列的纳米纤维内层可以指导细胞生长、粘附、增殖和迁移。（D）不对称复合敷料可以防止细菌感染，促进严重烧伤创面的愈合。
图2. 不对称复合敷料的形貌和润湿性表征：（A）不同取向纳米纤维内层的SEM图像和（B）纤维直径和角度的直方图；（C）PCL/PS和Col/QCS海绵的SEM图像；（D）A-NS-Cur与SN界面的SEM图像；（E）PCL、PCL/PS和A-PCL/Gel-Cur的WCA图像。
图3. 非对称复合敷料的机械和物理性能表征：（A拉伸强度；（B）断裂伸长率；（C）吸水率；（D）水汽透过率（WVTR）；（E）生物降解速率；（F）R-PCL/Gel-Cur和A-PCL/Gel-Cur体外释放曲线；（G）姜黄素和TEMPO与DPPH的反应机理；（H）A-NSN-Cur在不同时间的活性氧清除性能。
图4. 定向纳米纤维复合敷料的抗菌性能和生物相容性：（A）照片和（B）细菌粘附实验中大肠杆菌和MRSA菌落的定量分析；（C）A-PCL/Gel-Cur、Col/QCS和A-NS-Cur的抗菌性能；第1天和第3天活/死染色后（D）NIH/3T3和（E）HUVECs的荧光图像；第1天和第3天通过WST-1测定（F）NIH/3T3和（G）HUVEC的细胞活力。
图5. 细胞在定向纳米纤维膜上的行为表征。（A）第3天，在不同方向的纳米纤维支架上培养的NIH/3T3和HUVECs细胞的形态图像。（B）在PCL/Gel膜上生长的NIH/3T3和HUVECs细胞的方向定量。（C）第1天，在不同取向纳米纤维支架上培养的NIH/3T3细胞和HUVECs的SEM图像。（D）NIH/3T3和HUVECs细胞在不同取向纳米纤维支架上的增殖。（E）每组巨噬细胞INOS2、TNF-α、Arg-1、TGF-β1和VEGF的相对mRNA水平。（F）NIH/3T3和HUVECs细胞在不同取向纳米纤维支架上接种Raw264.7对细胞迁移的影响。
图6. SD大鼠深Ⅱ度烧伤创面愈合的体内评价。（A）烧伤过程、烧伤和正常伤口的红外热图像。图像上记录了选定区域的平均温度。（B）正常皮肤和烧伤创面的H&E染*图色**像。（C）用纱布（对照）、A-PCL/Gel-Cur、A-NSN、R-NSN-Cur和A-NSN-Cur治疗的伤口照片。（D）不同时间点的伤口闭合率。（E）不同组伤口渗出物的照片。
图7. 不同组治疗后伤口中上皮再形成、胶原沉积和血管生成的组织学分析：（A）H＆E染色和（B）第5天和第15天伤口样本的Masson三色染*图色**像；（C）胶原沉积的定量分析；（D）典型图像和（E）通过CD31 IHC染色对第5天和第15天伤口处的血管（棕色）进行定量分析。
图8.伤口部位MCP-1、IL-10、TNF-α和CD68的组织学分析：（A）典型图像和（B）通过MCP-1染色对第5天的MCP-1染色进行定量分析；（C）典型图像和（D）通过IHC染色定量分析第5天IL-10（一种抗炎、抗纤维化细胞因子）的表达；（E）典型图像和（F）通过IHC染色定量分析第5天TNF-α的表达；（G）典型图像和（H）通过IHC染色对第15天的CD68表达进行定量分析。
结论
模拟自然组织结构的生物材料支架可以提供适当的微环境线索来指导细胞行为和功能。组织工程研究表明，除了成分外，生物材料的表面结构和形貌还可以影响细胞行为和命运。然而，大多数敷料集中于敷料成分对伤口愈合的影响，而忽略了结构和形貌的影响。皮肤结构中的一些不对称结构和特性，特别是表皮和真皮中的结构和特性尚未得到考虑。
- 开发了一种通过静电纺丝在海绵两侧构建不对称结构和改性润湿性表面，获得不对称复合敷料的方法，以促进伤口愈合。
- 所制备的不对称复合敷料具有优异的机械和物理性能、高生物相容性以及良好的抗菌和抗菌粘附性能，在严重烧伤创面修复中具有很大的潜力。
- 本研究提出的静电纺丝和仿生结构相结合的方法可能为多功能敷料开辟了新的视野。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c04323
参考文献：Chenhui He,∥Bangrui Yu,∥Yicheng Lv, Yufeng Huang, Jiadong Guo, Liang Li, Mingmao Chen,Yunquan Zheng, Minghua Liu, Shaobin Guo,* Xianai Shi, and Jianmin Yang*. Biomimetic Asymmetric Composite Dressing by Electrospinning with Aligned Nanofibrous and Micropatterned Structures for Severe Burn Wound Healing. ACS Applied Materials & Interfaces. 2022.
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