近日，国家纳米科学中心张忠教授&西安交通大学郭保林教授团队在《Advanced Fiber Materials》上发表了题为“A Portable, Sprayable, Highly Malleable, Elastic, and Hydrophobic Antibacterial Fibrous Wound Dressing for Infected Wound Healing”的论文。该研究采用溶液喷吹电纺工艺，制备了氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SEBS）嵌段共聚物与银（Ag）或二氧化钛（TiO2）纳米粒子复合的创伤敷料。通过高速气流驱动溶剂快速蒸发，SEBS聚合物在皮肤表面形成紧密贴合的纤维膜。该纤维膜展现出优异的疏水性、透气性、延展性和柔韧性，能够有效提供物理保护。在加入银纳米粒子后，纤维膜对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌（E. coli）表现出强大的抗菌效果。与商业Tegaderm™敷料相比，SEBS基纤维膜在MRSA感染创伤的愈合过程中，能够显著降低感染、加速伤口闭合、促进胶原沉积、抑制炎症相关细胞因子表达，并促进血管生成相关细胞因子表达，从而显著促进感染创伤的愈合。

一 、研究背景

伤口感染与管理的重要性：伤口感染是全球范围内的重大问题，影响患者与医疗工作者，强调了有效伤口管理在减少感染和改善患者健康中的关键作用。全球伤口护理市场预计到2027年将超过300亿美元。

传统伤口敷料的局限性：传统伤口敷料（如纱布和创可贴）存在局限，纱布容易导致过多出血且限制活动，创可贴则缺乏透气性，容易导致伤口区域潮湿，增加感染风险。

理想伤口敷料的要求：理想的伤口敷料应具备止血、有效防止细菌感染、良好的透气性、可避免二次损伤、优异的弹性、防水性及与日常活动的兼容性等特。

新型纳米纤维伤口敷料的优势与挑战：为了满足这些要求，许多静电原位纺丝方法被开发用于生产纳米纤维伤口敷料，这些敷料能够紧密贴合皮肤，提供优异的透气性，且易于拆除。然而，电纺丝的使用受到有毒溶剂和高电压源的限制。

止血敷料的进展：为减少出血并简化敷料拆除，已开发出具有超疏水表面的止血敷料，这些敷料可增强血液凝固并促进伤口修复，但仍缺乏超疏水原位敷料，可能导致皮肤与敷料之间的血液渗漏。

吹纺技术的潜力：一种新的吹纺技术已被用于生产伤口敷料，其具有与电纺丝相似的优势，如无需高压电源并提供更多溶剂选择。然而，目前这些方法主要集中在生产水溶性和可生物降解的纤维膜，而这种膜在伤口敷料中的耐水性不足，可能导致过快降解。因此，开发具有皮肤适应性、超疏水性和抗菌性能的原位伤口敷料，已成为推动新型伤口护理解决方案的重要方向。

二、 研究方法

溶液吹纺技术制备纤维膜：使用聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯-共聚丁烯-嵌段-聚苯乙烯（SEBS）材料，通过溶液吹纺技术制备了原位伤口敷料的纤维膜。

功能化纳米颗粒增强抗菌性能：在SEBS基纤维膜中，加入了银（Ag）或二氧化钛（TiO2）纳米颗粒，以增强其抗菌性能。

评估力学性能、抗菌性和生物相容性：对SEBS基纤维膜的力学性能、抗菌效果和生物相容性进行了全面评估，确保其在伤口护理中的可行性。

使用MRSA感染全层皮肤缺损模型验证疗效：通过MRSA感染的全层皮肤缺损模型进一步验证了SEBS基纤维膜在促进伤口愈合中的治疗效果。

 

创新设计原位伤口敷料：研究提出了这种创新的、便捷的原位制备伤口敷料，具有良好的柔韧性、透气性和超疏水性，能有效隔离细菌，减少血液渗透，并帮助伤口愈合。

 

三、 图文解释

图1.溶液吹纺的优化条件与机理分析。与传统的熔融纺丝和静电纺丝相比，溶液吹纺具有易于实施、不需要专用设备等优点，尤其适用于在复杂结构表面或进行原位纺丝。研究中使用了0.5毫米喷笔喷射SEBS-环己烷溶液，发现6 wt%的浓度最适合形成结构良好的纤维膜。喷射后，喷嘴附近形成块状薄膜，远离喷嘴的位置形成纤维状结构。溶液吹纺的机理是液滴被喷出后，溶剂迅速挥发，增加粘度，气流将液滴拉伸成纤维并形成膜。

 

为了满足创伤敷料的需求，研究采用了具有疏水性的医用级SEBS树脂作为基质材料，并添加了具有广谱抗菌能力的纳米二氧化钛P25或纳米银颗粒以增强抗菌性能。当纳米颗粒的质量较低时，喷射后它们可能不会暴露在纤维表面。相反，过多的纳米颗粒添加会因聚集等原因显著影响纤维膜的机械性能和成纤能力。图2通过光学拍照和扫描电子显微镜（SEM）对制备的微纳米纤维膜进行了表征，结果显示，纯SEBS纤维膜和加入纳米二氧化钛P25的SEBS纤维膜呈白色，而加入纳米银颗粒的SEBS纤维膜则呈灰色。

 

图3为三种溶液吹纺纤维膜的特性分析。与电纺相比，溶液喷吹纺丝速度更高，达到了70–120 mL/h，提升了20倍以上。SEBS、SEBS-P25和SEBS-Ag纤维膜都具有超疏水性，接触角分别超过150°和140°，并能在水流冲洗后保持疏水性。水渗透阻力方面，SEBS和SEBS-P25膜较高，而SEBS-Ag膜稍低。所有三种纤维膜均具有防血渗透能力，能够有效减少创伤出血。此外，这些膜的透气性良好，压力降低于熔喷布，虽然过滤性能不如熔喷布，但优于纱布，并能有效阻挡细小颗粒（如13纳米炭黑）。因此，这些纤维膜适合用于创伤敷料，兼具透气性和过滤效果。

 

图4为三种溶液纺丝纤维膜的机械特性分析。纤维膜作为原位伤口敷料，需具备良好的柔韧性和附着力，能够适应皮肤的变形而不损伤。结果表明：SEBS（热塑性弹性体）具备高弹性和优异机械性能，拉伸至500%时未断裂，且纳米粒子增强了机械性能，其中2 wt% P25的效果优于1 wt% Ag纳米粒子。通过测量与3M胶带的附着力，发现其剥离强度低于普通创口贴，减少二次伤害的风险。该纤维膜在皮肤上的附着性、弯曲性和剥离性能表现良好，能够在高度变形部位如手部、肘部无缝适应，不造成损伤且无皮肤拉扯。溶液喷吹纺丝纤维膜展现出优异的稳定性，即便在拉伸至250%并进行1005个循环或保持一天，其高弹性未受损。经100次拉伸后，保持80-85%的拉伸强度，1000次后仍有65-70%的强度，证明该膜具备足够机械强度、易于移除并能适应皮肤变形。

 

SEBS基纤维膜的抗菌性能对于促进伤口愈合至关重要。图5评估了其对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌（E. coli）的抗菌活性。结果显示，SEBS纤维膜对MRSA的抑制率为33.5 ± 6.8%，对E. coli为11.6 ± 6.1%，表明纤维膜具有固有的抗菌性能。加入P25后，抑菌效果有所改善。尤其是SEBS-Ag纤维膜，表现出卓越的抗菌效果，对MRSA的抑制率达到89.3 ± 5.3%，对E. coli为82.7 ± 11.3%。这些增强效果归因于银纳米粒子释放的Ag+离子，能有效破坏细菌细胞壁，导致细菌内容物泄漏。因此，SEBS-Ag纤维膜展现了显著的抗菌效能，有望成为治疗感染性伤口的敷料。

 

图6为体内 MRSA 感染伤口愈合评估。SEBS-Ag因其抗菌性能和生物相容性被选为治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染的全层皮肤缺损敷料材料。通过小鼠创伤模型，比较了SEBS-Ag、未添加银纳米粒子的SEBS和市售Tegaderm™薄膜的疗效。结果显示，SEBS-Ag组在3天时感染水平较低，创伤收缩明显，且愈合速度最快，经过7天治疗，创伤明显缩小，炎症减少，表皮结构和胶原沉积优于其他组。到14天，SEBS-Ag组创伤愈合更为完善，具有更多皮肤附属物和更好血管再生。21天时，SEBS-Ag组创伤完全愈合，皮肤附属物均匀分布，而其他两组未完全愈合。总体而言，SEBS-Ag纤维膜凭借银纳米粒子的抗菌特性，有效促进了创伤愈合。

 

创伤愈合过程涉及多种细胞因子的表达，特别是与炎症和血管生成相关的细胞因子，如TNF-α和VEGF，这些因子常用作炎症细胞和血管生成的标志物。图7通过免疫荧光染色评估创伤修复过程中炎症和血管生成的程度。结果显示，Tegaderm™薄膜组在创伤愈合第3天表现出最明显的TNF-α浸润，提示细菌感染加剧了创伤部位的炎症。而SEBS-Ag组由于有效的抗菌处理，炎症反应显著减轻，相比SEBS组效果更佳（P < 0.01）。此外，血管再生对于创伤的快速愈合至关重要。在治疗7天后，评估创伤再生组织中VEGF的表达水平。Tegaderm™薄膜组的血管生成最少，而SEBS-Ag组的VEGF表达明显高于SEBS组（P < 0.01），表明SEBS-Ag能够有效促进创伤部位的血管再生。

 

四 、总结展望

研究团队采用医用级热塑性弹性体SEBS和银纳米颗粒，成功开发了一种原位抗菌创伤敷料，旨在治疗感染性创伤。该制备方法的速度比传统的电纺丝技术快了超过20倍。所制得的纤维膜具有优异的疏水性、柔韧性、屏蔽能力、透气性和过滤性能，能够很好地适应大范围的皮肤变形，并保持弹性。在弯曲运动时，纤维膜能够紧密贴合皮肤，提高术后舒适性和功能性。创伤愈合后，敷料可以轻松去除，减少了二次损伤的风险。通过抗菌活性测试和与L929成纤维细胞的兼容性实验，验证了该纤维膜作为创伤敷料的有效性。研究团队还通过建立小鼠全层皮肤缺损感染模型，进一步确认了SEBS-Ag纤维膜的最佳治疗效果。总体而言，该研究团队成功开发了一种基于溶液吹纺技术的纤维膜敷料，为设计和生产用于治疗感染性创伤的纤维基敷料提供了一个创新性的新方法。

国家纳米科技中心张忠教授和西安交通大学郭保林教授为该论文的共同通讯作者，国家纳米科学中心张良培和西安交通大学前沿科学技术研究院博士研究生杨雨桐为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金项目(52273149)、中央高校建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项资金以及中央高校基本科研业务费专项资金等项目的支持。

 

论文链接： 

https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-024-00500-x