一、研究背景

慢性伤口，尤其是糖尿病溃疡，在愈合过程中常伴有大量渗出液。传统敷料虽能暂时替代受损皮肤并提供保护屏障，但过量渗出液易导致炎症延长、感染风险增加，延缓愈合进程。因此，开发一种能够单向导出渗出液、减少与组织粘连、并具备抗菌抗炎功能的新型敷料，成为当前伤口护理领域的研究热点。

近年来，基于静电纺丝技术制备的纳米纤维膜因其高比表面积、良好的透气性、机械柔韧性和仿细胞外基质结构，在伤口敷料中展现出巨大潜力。尤其是通过多层共轭静电纺丝技术，可构建具有Janus结构（即两面具有不对称润湿性）的纤维膜，实现液体的定向传输与药物的可控释放。

静电纺丝技术因其能够制备具有高比表面积、优异透气性、良好机械柔性及仿细胞外基质结构的多层纳米纤维膜，已成为开发高性能伤口敷料的重要技术手段。在该研究中，我们采用层层静电纺丝技术，成功构建了一种具有润湿性梯度的Janus结构多层纳米纤维膜。该研究的实施得益于E04型多功能静电纺丝机的高精度多针共轭纺丝能力，其配备的多针阵列喷头、温湿度精准控制系统和多通道注射泵，为复杂多层结构的可控构建提供了可靠的工艺基础，极大促进了该高性能敷料的成功开发。

中国矿业大学材料科学与物理学院亓建伟教授及团队在Springer期刊《Fibers and Polymers》发布了自泵水梯度多层纳米纤维敷料（Wettability-Gradient Multilayer Nanofibrous Membrane）的最新研究成果。该团队通过共轴静电纺丝构建Janus结构，实现24 s单向导液与药物级联释放。这一成果为糖尿病慢性伤口渗出管理及感染防控，提供了高效多功能敷料新方案。

二、创新亮点

1. Janus结构设计：
   通过疏水层（PCL-PVA/CS）与亲水层（PVA/CS/AMOX）的复合设计，实现从疏水到亲水的润湿性梯度，赋予敷料单向自泵送功能。

2. 多层功能集成：
   敷料由三层构成：

   • 皮肤接触层：疏水/亲水复合层，实现液体定向导出；

   • 中间吸收层：PCL/Gel复合层，具备高吸液与保液能力；

   • 外层保护层：医用无纺布，提供机械支撑与防护。

3. 药物缓释与抗菌性能：
   亲水层中负载阿莫西林钠（AMOX），实现随渗出液积累的级联释放，有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。

4. 综合性能优化：
   该敷料在润湿性、机械强度、蛋白吸附抗性、水蒸气透过率（WVTR）、药物释放行为及生物相容性等方面均表现出优异性能。

三、核心实验

1. 材料制备与结构表征

使用E04型静电纺丝机，通过双喷头共轭纺丝技术，制备了PCL-PVA/CS、PVA/CS/AMOX、PCL/Gel等多层纤维膜。通过SEM图像分析纤维形貌、直径及孔隙结构，结果显示纤维分布均匀，无显著串珠现象，孔隙率超过63%，平均孔径在22–28 μm之间。

2. 润湿性与自泵送性能测试

通过高速摄像系统记录液滴在纤维膜表面的扩散过程。PPC3型复合膜在24秒内即可实现液滴完全穿透，表现出最快的润湿速度与最优的单向传输能力。其吸水率和保水率分别达到316%和276%，显著优于纯PCL膜。

3. 药物释放与抗菌性能

采用紫外分光光度法测定AMOX的释放曲线，24小时内释放率可达65.9%。抑菌圈实验表明，载药纤维膜对S. aureus和E. coli均具有明显抑制作用，抑菌圈直径随时间延长而增大。

4. 生物相容性与蛋白吸附抗性

通过CCK-8法检测3T3细胞在不同纤维膜上的存活率，多层梯度敷料组在24h和48h的相对细胞存活率分别为154%和174.8%，表明其具有良好的生物相容性。此外，该敷料表现出优异的抗蛋白吸附能力，有效减少细胞黏附，避免二次损伤。

5. 水蒸气透过率（WVTR）与机械性能

WVTR测试显示其值在920–1080 g/m²·24h之间，处于理想范围内，既能保持伤口湿润环境，又避免过度积液。PCL/Gel复合膜的拉伸强度最高可达16 MPa，具备良好的机械稳定性。

图文解读

图一：多层伤口敷料制备流程示意图
呈现多层伤口敷料的制备流程示意图，清晰展示了各层敷料的制备步骤，包括皮肤接触面的自泵层（含疏水 PCL-PVA/CS 和载药亲水 PVA/CS/AMOX 复合纤维膜）、中间的 PCL/Gel 吸收层以及最外层的医用无纺布层，明确了各层材料的组成与制备方式，为敷料的结构设计和后续研究提供了直观的流程参考。

图二：自泵性能测试高速摄像装置示意图

为自泵性能测试的高速摄像装置示意图，该装置整合了接触角测试仪与高速相机，用于观察液体滴在纤维膜上的浸润过程与时长，通过注射器将特定体积的液滴注入纤维膜，借助高速相机记录相关图像，结合接触角测试仪测量接触角，以此分析敷料的单向自泵性能，是评估敷料核心功能的关键测试装置示意图。

 

图三：不同共纺速度纤维膜形态及孔隙率、孔径分析图
包含 PPC0、PPC1、PPC2、PPC3 四种不同共纺速度下纤维膜的形态以及 PCL-PVA/CS 和 PVA/CS 纤维膜的孔隙率与平均孔径分析结果。从纤维形态来看，PPC0 由纯 PCL 纤维构成，随 PVA/CS 纤维加入及 PCL 溶液注射速度调整，纤维膜上的微珠逐渐消失，PPC3 纤维形态最优；孔隙率和孔径数据显示，PCL-PVA/CS 纤维膜的孔隙率（68.4%±3.1%）和平均孔径（27.6±2.3μm）均高于 PVA/CS 纤维膜，且多层纤维膜孔径从内到外逐渐减小。

 

图四：纤维膜润湿性（接触角、润湿尺寸、吸水保水率）评估图
围绕纤维膜润湿性展开评估，涵盖液滴在 PCL、PVA/CS、PPC3 纤维膜表面 2 秒内的接触角变化，PPC0、PPC1、PPC2、PPC3 纤维膜表面液滴 60 秒内的润湿尺寸，30 秒时纤维膜上液滴的放大情况，以及 PCL、PVA/CS、PPC3 纤维膜的吸水与保水能力数据。结果显示 PPC3 在润湿速度、润湿尺寸及吸水保水能力上表现更优，如 PPC3 液滴 60 秒时尺寸为初始的 4.1 倍，吸水和保水率分别达 316% 和 276%，为其作为敷料内层材料提供了性能依据。

图五：不同纤维膜液滴扩散与完全润湿时间对比图

展示不同纤维膜（PPC0、PPC1、PPC2、PPC3）上液滴的扩散过程、8 秒内的接触角变化以及完全润湿所需时间。PPC0 完全润湿需 144 秒，随 PVA/CS 纤维含量增加，完全润湿时间逐渐缩短，PPC3 因纤维形态均匀、疏水 PCL 含量少，完全润湿时间仅 24 秒，显著优于其他纤维膜，突出了 PPC3 在快速吸收伤口渗出液方面的优势。

图六：不同厚度 PPC3 纤维膜性能（扩散、润湿、药物释放）对比图

对比不同厚度（0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm）PPC3 纤维膜的性能，包括液滴扩散过程、8 秒内接触角变化、完全润湿时间以及 24 小时内的药物释放率。随着 PCL-PVA/CS 纤维膜厚度增加，完全润湿时间延长（从 19 秒增至 30 秒），而药物释放率逐渐提高（从 55.1% 增至 65.9%），为敷料厚度的优化选择提供了关键数据支撑。

图七：PCL/Gel 渗出液吸收层微观结构与性能（拉伸、吸水保水）图
呈现 PCL/Gel 渗出液吸收层的微观结构与性能，包括 PCL/Gel 复合纤维膜的微观形态（显示出明显的取向性）、不同 PCL 与 Gel 质量比下纤维膜的拉伸强度、不同 PCL 质量分数下的吸水与保水率。其中，含 10% PCL 和 6% Gel 的 PCL/Gel 纤维膜吸水和保水率最高，分别达 632% 和 551%，且与 Gel 纤维膜相比，加入 PCL 后拉伸强度显著提升，证明该复合膜适合作为敷料的吸水储水层。

 

四、结论与展望

本研究成功设计并制备了一种具有润湿性梯度的Janus结构多层纳米纤维膜，展现出优异的单向自泵送性能、药物控释能力、抗菌活性及生物相容性，适用于慢性伤口的高效护理。该敷料能有效管理渗出液、减少感染风险、促进愈合过程，具有广阔的临床应用前景。

未来展望方面，我们将进一步优化纤维膜的力学性能与降解行为，探索更多功能性药物（如生长因子、抗氧化剂）的负载与释放调控，推动其向智能化、个性化伤口护理产品发展。

工艺设备方面，本研究的成功实施离不开E04型多功能静电纺丝机的高精度、多材料共轭纺丝能力。其多针阵列喷头、温湿度精准控制系统、多通道注射泵等配置，为复杂结构纳米纤维的可控制备提供了坚实的技术支持。未来，我们将继续依托该类高端设备，开展更多维度的材料设计与性能优化研究。

 

文献来源：

https://doi.org/10.1007/s12221-025-01136-3