近日，来自上海理工大学材料与化学学院的余灯广教授领导的团队，在化学工程领域权威期刊《Reviews in Chemical Engineering》发表了题为“Versatility of electrospun Janus wound dressings”的研究综述。该综述系统探索了电纺Janus伤口敷料的设计策略、功能特性及临床应用潜力，为智能伤口管理提供了理论依据与技术参考。

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通过单流体混合工艺制备的静电纺丝纳米纤维已成功展示了其作为高效伤口敷料的潜力。然而，静电纺丝Janus纳米纤维，可以在不同的聚合物基质中设计多个腔室以装载不同的活性药物成分，进一步显示了其在促进伤口愈合方面的多功能性。本文评论指出，伤口敷料通常需要多种功能性能以促进伤口愈合。Janus纳米纤维具有独特的优势，其不同部分可以与环境相互作用，从而为开发新型伤口敷料提供了一个多功能平台。本文讨论了两个最近的例子，每个例子都采用了不同的制备策略来开发新型伤口敷料，并强调了Janus纳米纤维在伤口敷料应用中的光明前景。

1. 理想伤口敷料的多功能性能

作为人体最大的器官，皮肤负责抵御外部病原体，但容易因手术、烧伤、机械力或慢性疾病导致损伤。皮肤伤口是全球医疗系统的重大负担，因此，能够缩短治疗时间并促进皮肤修复的新型伤口敷料备受关注。

伤口敷料是一种用于皮肤再生期间保护伤口免受外界影响的生物医学产品，通常含有促进愈合的活性成分。理想的伤口敷料应具备以下功能：通过药物分子的持续释放促进血管生成和组织再生，提供止痛和抗炎效果，同时防止微生物感染、吸收过多渗出物并允许气体交换。

目前市场上，伤口敷料的形式包括海绵、薄膜、泡沫、水凝胶、粉末和纳米纤维膜。近年来，新的辅料和技术创新不断涌现，以开发新型临床产品。其中，通过静电纺丝制备的药物纳米纤维因其高孔隙率、大表面积、药物载荷能力强等特性而备受关注。纳米纤维膜的结构与天然细胞外基质（ECM）相似，有助于创造有利于细胞粘附、增殖和分化的微环境。随着纳米科学和纳米工程的发展，纳米医学正在渗透各种类型的伤口敷料中。特别是，药物多室Janus纳米结构是开发高性能伤口敷料最有前景的方法之一。

2. 并列静电纺丝和Janus纳米结构

静电纺丝可以直接制造聚合物纳米纤维。最初，这些纳米纤维的纳米级直径被探索以确保多种功能应用。后来，同轴静电纺丝因其能够简单而稳健地创建核壳纳米结构而成为最重要的突破之一。

尽管双流体同轴、三流体同轴和四流体同轴静电纺丝已相继被报道用于生成双室核壳纳米纤维、三室和四室纳米纤维，但双流体并列静电纺丝及其相关的双室Janus纳米纤维却鲜有关注。图1(a,b)分别展示了传统单流体混合静电纺丝装置和双流体并列偏心静电纺丝装置的示意图。显然，这些装置的四个基本组成部分是相似的，分别用1、2、3和4表示电源、注射泵、纤维收集器和喷头。同样，同轴静电纺丝系统与并列静电纺丝系统之间也没有显著差异。

图1. 传统单流体混合静电纺丝(a)和通过偏心喷头进行双流体并列静电纺丝(b)的工作过程。数字1、2、3、4分别代表静电纺丝系统的四个基本部分，即电源、注射泵、纤维收集器和喷头。

双室核壳结构和Janus结构是最基本的物体类型之一。双室核壳结构具有一个被壳部分包围的核心部分，而Janus结构由两个不同的部分连接在一起组成。基于这两种基本结构的功能材料同样广泛。这可以通过在Web of Science中搜索项目轻松判断。当使用“Janus”或“core-sheath”作为“主题”时，分别有49,577和69,319条结果（图2(a)）。然而，当使用“Janus纤维”或“核壳纤维”作为“主题”进行搜索时，分别有977和22,832条结果。Janus纤维与Janus的比例仅为1.97%，显著低于核壳纤维与核壳的32.94%。同样，对于结构制备方法，并列静电纺丝和同轴静电纺丝的条目数分别为158和2714（图2(b)）。

图2. 并列静电纺丝和Janus纳米纤维的现状、历史和展望：(a) Janus和核壳纤维的比较；(b) 并列静电纺丝和同轴静电纺丝的比较；(c) 传统平行毛细管喷头和偏心喷头的并列静电纺丝的比较；(d) 一系列具有结构出口的新型喷头，用于通过静电纺丝复制三室纳米纤维。

双流体并列静电纺丝和双室结构之间的巨大差距的原因在图2(b)的最右侧部分揭示。当使用两个平行的金属毛细管进行并列静电纺丝时，两种工作流体上的相同电荷以及小接触点（如图2(b)中所示的“A”）可能导致工作流体分离，从而无法创建集成的Janus纳米纤维。这种情况的真实数字照片在图2(c)的两个左上角插图中提供，其中一侧用亚甲基蓝标记。相比之下，当使用偏心喷头进行并列静电纺丝时，在图2(c)的两个右上角插图中可以看到完整的复合泰勒锥和收集器的均匀浅蓝色，表明过程成功且形成了集成的Janus纳米结构。从图2(c)的底部从左到右，分别显示了喷头和泰勒锥的示意图、喷嘴上的电荷分布、真实数字图像以及可能的Janus纳米纤维结构。

与传统的两个平行金属毛细管作为喷头相比，新的偏心喷头具有支持成功并列静电纺丝过程和创建集成Janus纳米结构的独特因素。这些因素包括圆形电荷表面积、拱形流体接触面积以及圆形毛细管相对于新月形毛细管的轻微突出。偏心喷头的优势在以下方面显而易见：1）圆形电荷表面积有助于防止分离并节省能量；2）两种工作流体之间的流体接触面积更大，如图2(c)第二个底部插图中所示的“B”；3）圆形毛细管的轻微突出有助于防止一种流体被另一种流体包裹。如果两种工作流体是相容的，那么在工作过程中分离的可能性很小，从而确保了集成的Janus纳米结构。基于这一突破，多流体并列静电纺丝过程和并列纳米纤维的许多可能性已经被解锁。相应的三室结构在图2(d)中进行了示意图展示，包括三室Janus纳米结构、一侧为核壳结构的Janus纳米结构、具有Janus核心的核壳纤维以及具有Janus壳层的核壳纳米纤维。这些Janus纳米纤维将逐渐展示其在开发一系列创新药物纳米纤维及相关伤口敷料方面的潜力，以增强愈合效果。

3. 静电纺丝Janus纳米纤维的优势支持其作为新型伤口敷料

与通过单流体混合静电纺丝生产的传统均匀纳米纤维以及通过同轴静电纺丝生产的核壳纳米结构相比，并列静电纺丝生产的Janus纳米结构具有独特特性和一系列优势，支持其在促进有效伤口愈合方面的多样化应用。这些优势可以总结如下：

与静电纺丝整体纳米纤维垫类似的优势和特性：

i) 独特的物理特性（小直径、巨大孔隙率、三维网状结构、大表面积以及与细胞外基质类似的结构特性）；

ii) 通过聚合物基质调节功能性能（如pH敏感性、机械性能和亲水性）；

iii) 高药物包封效率；

iv) 稳健且简单的工艺流程，即直接的单步“自上而下”纳米制造过程。

与传统混合静电纺丝制备的纳米产品相比的特殊优势：

i) 多室结构的强大能力，允许不同类型的活性成分共载入各自的腔室，每个腔室都有其自身的控释曲线，以实现协同的伤口愈合效果；

ii) 不同聚合物基质在不同腔室中的整合可以成为定制纤维垫表观性能的强大工具，例如机械性能、生物粘附性能和亲水性；

iii) 多种流体中只需一种是可静电纺丝的，这赋予了将各种不可纺丝的流体转化为结构纳米纤维的能力。

与同轴静电纺丝制备的核壳纳米产品相比的特殊优势：

i) 所有腔室都可以与周围环境接触，使其更有效地为伤口部位创造合适的微环境；

ii) 更多的三室亚类变体，以支持具有特定结构-性能关系的新型功能材料的开发；

iii) 分离的两侧提供了开发超出药物载荷和控释的额外功能属性的强大工具，例如纳米纤维取向、生物粘附和机械性能。

图3. 从静电纺丝Janus纳米纤维制造潜在伤口敷料的两个典型例子：(a) 一种具有协同抗氧化和抗菌性能的三室偏心纳米纤维；(b) 由Janus纳米纤维和双侧整体纳米纤维组成的三层混合膜，以促进伤口愈合。外层由高疏水性聚己内酯（PCL）组成，内层由高亲水性明胶组成，中间层为与环丙沙星（CIP）和氧化锌纳米颗粒（n-ZnO）混合的Janus纳米纤维。

Zhang等人最近报道了一种三室偏心Janus纳米纤维（TEJNs），通过三流体并列静电纺丝工艺制备（图3(a)）。TEJNs展示了抗菌和抗氧化特性，暗示了其在包括伤口敷料在内的各种生物医学应用中的潜力。研究了两种多糖聚合物，壳聚糖（CS）和乙基纤维素（EC），作为不同腔室的基质。TEJNs具有独特的结构，外层为CS腔室，中间层为载有姜黄素（Cur）的EC腔室，内层为载有维生素E（VE）的EC腔室。通过自制喷头稳健且连续地实施了多流体并列静电纺丝工艺。体外溶解测试表明，TEJNs可以在34.30小时和24.86小时内分别持续释放90%的载入Cur和VE。抗菌和抗氧化实验表明，与传统的均匀静电纺丝纳米纤维相比，TEJNs提供了增强的效果。尽管流行的核壳和三层核壳纳米材料可以在不同的腔室中装载多种活性成分，但这些腔室具有严格的内外空间关系，这可能会因内部成分的延迟释放而对潜在的协同作用产生负面影响。相比之下，Janus，特别是三室Janus纳米材料，允许每个腔室与环境接触，可能为伤口愈合期间的协同作用提供最有利的释放形式。这些协同作用包括：1）外层CS通过接触机制与中间层释放的Cur的联合抗菌效果；2）中间层的Cur与内层的VE的联合抗氧化效果。TEJNs的卓越性能归因于多种因素的结合，包括其独特的三室结构、腔室的特定形状、药物在纳米纤维中的分布和空间定位，以及药物与聚合物基质的合理选择和配对。

4. 使用Janus纳米纤维作为构建块制造更复杂的Janus结构的组织方法

逐层组织不同的药物纳米纤维；将并列静电纺丝与其他技术（如电喷雾和浇铸）结合，以创建新的配置，以实现有效的伤口愈合过程。

有许多关于Janus膜和颗粒用于伤口敷料应用的文献报道。然而，几乎所有所谓的Janus膜本质上都是一种双层膜。其中大多数是两层膜，每层由具有不同成分和组成的静电纺丝整体纳米纤维组成，而一些膜则由一层静电纺丝整体药物纳米纤维和另一层浇铸膜或仅仅是电喷雾微/纳米颗粒组成。尽管这些Janus膜已被证明对治疗目标伤口区域有用，但它们本质上是宏观意义上的“Janus”，并且通常需要多个步骤、各种工作流体和操作条件。因此，制造过程耗时，且由于两种不同工作过程的整合，Janus膜的性能和质量控制引起了重大关注。

逐层收集策略还可以与并列静电纺丝结合，以提升静电纺丝在生成新型纳米纤维膜方面的能力。Xu等人报道了一种三层分层结构纳米纤维敷料，用于加速伤口愈合（图3(b)）。顶层由疏水性聚合物聚己内酯（PCL）组成，可抵抗外部微生物的粘附。底层由亲水性聚合物明胶组成，为伤口愈合提供湿润环境。中间层由通过偏心并列静电纺丝技术制造的亲水性Janus纳米纤维组成。PCL和明胶作为聚合物基质，分别载有氧化锌纳米颗粒（n-ZnO）和环丙沙星（CIP）。实验结果表明，该敷料表现出良好的表面润湿性、强大的机械性能和快速的药物释放特性。生物活性成分的存在赋予了对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性。最终，小鼠伤口处理的实验结果表明，该敷料促进了血管生成、加速了胶原蛋白沉积，并在14天内实现了完全伤口愈合。总体而言，这种分层结构敷料在加速伤口愈合方面具有强大的潜力。纳米结构在开发各种功能纳米材料中始终发挥着重要作用。其中，并列静电纺丝及其各种多室Janus纳米结构有望为具有更高治疗效果的新型伤口敷料提供更多希望。

图4. 四种典型多室Janus纳米结构的图像：(a) 一种双室Janus纳米纤维的TEM图像；(b) 一种三段嵌合Janus纳米纤维的SEM图像；(c) 一种三层偏心Janus纳米纤维的SEM图像；以及(d) 一种一侧含有核心部分的三段Janus纳米纤维的TEM图像。

图4展示了几种典型的多室Janus纳米结构。图4(a)展示了一种双层Janus纳米纤维的透射电子显微镜（TEM）图像，该纤维设计用于双相药物控释。图4(b)展示了一种特殊的三段嵌合Janus结构的扫描电子显微镜（SEM）图像，该结构包含“A”、“B”和“C”三个部分，旨在快速溶解一种水溶性较差的药物——螺旋霉素。图4(c)展示了一种三层偏心Janus纳米纤维的SEM图像，该纤维包含T1、T2和T3腔室，旨在防止肌腱粘连。图4(d)展示了一种Janus纳米纤维的SEM图像，该纤维一侧有一个核心部分和一个协调侧，据报道对联合抗癌治疗有用。这些多室Janus纳米结构有望成为一个强大的平台，用于定制和组织各种活性成分，以实现促进快速伤口愈合的协同效应。

5. 结论

通过单流体混合静电纺丝和同轴静电纺丝制备的静电纺丝药物纳米纤维的流行，为静电纺丝Janus纳米纤维作为伤口敷料具有更大的应用潜力。基于通过偏心喷头创建具有集成并列纳米结构的Janus纳米纤维的方法，可以通过三流体并列静电纺丝，使用结构喷头作为模板，开发出一系列具有内侧并列腔室的三室纳米结构。Janus纳米结构的优势在于，它们具有多个腔室来封装各种成分，同时保持多个腔室与环境接触，这是其他纳米结构无法实现的。这些Janus多室结构多功能性强，能够满足各种伤口敷料的多功能需求。除了内腔室的各种组织结构外，通过混合工艺和并列工艺制备的静电纺丝纳米纤维还可以组织成Janus膜或三层膜，进一步丰富了基于Janus结构的伤口敷料的开发方法。

6. 未来展望

为了快速推动基于Janus纤维的伤口敷料的实际应用，仍有几个关键问题需要解决。首先是Janus结构纳米纤维的大规模生产。尽管通过混合工艺生产纳米纤维已被广泛报道，但复杂结构纳米纤维的制造仍然是实验室工作。将并列静电纺丝与其他技术（如浇铸膜、电喷雾、人工智能和生物打印）结合，有可能加速商业化进程。传统的自由表面无针静电纺丝用于生产一般的纳米纤维，但无法用于创建Janus纳米纤维。其次是伤口敷料向临床应用的推进。目前大多数研究，无论是基于内Janus纳米结构还是双层Janus膜，仍处于概念验证阶段。第三是电液动力学机制，即使对于单流体混合工艺，这一机制仍不清楚。静电能量与各种工作流体之间的相互作用、它们在相同电场下的行为以及喷头喷嘴模板的引导效应都是值得进一步研究的有趣方面。

文章来源：https://doi.org/10.1080/17435889.2024.2446139​

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