南工陈苏教授、陈勇教授/福建农林庞杰研究员AFMs：微流控静电纺丝构筑超疏水-疏水-亲水双等变梯度人造皮肤支架

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-09-15 07:56

正文

皮肤作为人类外在的保护屏障，在保护身体免受疾病和意外伤害方面发挥着重要作用。由于皮肤复杂的伤口修复过程和微环境，创伤修复与再生是组织工程的研究重点，亦是全球生命健康领域的难题。因此，开发皮肤支架材料创建细胞增殖的微环境以加快伤口愈合是组织工程领域的前沿课题之一。然而目前，创面伤口过多的渗液导致伤口变形、慢性炎症、感染和血管生成受损，不利于创面修复，开发高性能皮肤支架材料以实现伤口渗出液管理仍然是一项挑战。

针对上述挑战，南京工业大学陈苏教授、陈勇教授与福建农林大学庞杰研究员，创新性地采用微流控静电纺丝技术构建了三维仿生纳米纤维皮肤支架，为加速伤口愈合的靶向方法提供了新的视角（微流控静电纺丝涂膜设备由南京捷纳思新材料有限公司提供）。该工作创新设计了超疏水-疏水-亲水双梯度三维仿生纳米纤维皮肤支架（3D BNSF），内层为TPU-HGC超疏水层（吸水），中间为疏水PCL层，外层为亲水PCL-PCE层（水传输）。由于独特的双梯度结构，该3D BNSF表现出渗液吸收-传输行为，从而有效管理伤口渗液。体外和体内实验表明，这种皮肤支架具有优异的抗菌性能与细胞相容性，可大大加快创面愈合和组织再生。这项研究为加速伤口愈合的靶向方法提供了新的视角，为高性能人造皮肤支架材料的构建开辟了新途径。

该研究成果于近日发表在被国际重要刊物《Advanced Fiber Materials》上（“Robust dual equivariant gradient antibacterial wound dressing-loaded artificial skin with nano-chitin particles via an electrospinning-reactive strategy”）。山东大学博士后王林为第一作者。南京工业大学陈苏教授、陈勇教授与福建农林大学庞杰研究员为共同通讯作者。该课题得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中国博士后科学基金项目和福建省自然科学基金项目的资助和支持。

图1、全功能微流控静电喷膜打印纺丝一体化设备（南京捷纳思新材料有限公司）

· 纺丝化学—受限空间内原位反应合成纳米材料；

· 结构设计—微通道限域组装实现微尺度下结构调控；

· 过程强化—多个微流控芯片协同，提升生产效率；

· 涂膜功能—纳米材料、乳液、小分子等均匀涂膜。

图2 3D BNSF设计及应用。(a) HGC颗粒的制备过程示意图。(b) 通过双重等变梯度法制备的超疏水-疏水-亲水纳米纤维支架的示意图。该材料表现出吸收-传输行为：内层的TPU-HGC超疏水层（吸水），中间的疏水PCL层，外层的亲水PCL-PCE层（水传输）。 (c) 液体传输和伤口愈合过程的示意图。

图3 HGC粒子结构和性质表征。CF、GA-CF和HGC的(a) FT-IR光谱。(b) HGC粒子的粒径分布。(c-d) CF和HGC粒子的扫描电镜图。(e) PCE的HNMR分析。(f) PCE的FTIR光谱。

图4 三维BNSF结构和性能表征。3D BNSF的(a)实物图和(b)横截面元素映射。(c) 不同层在0.2 mm/s拉伸速率时的拉伸应力应变曲线。(d) TPU-HGC、 (e) PCL和(f)PCL-PCE 的扫描电镜和水接触角图像。(g-l) 3D BNSF的微形貌和元素分布。(m，n) TPU-HGC、PCL-PCE和PCL的孔径和平均直径。(o) TPU-HGC、PCL-PCE、PCL和3D BNSF的WVTR和气体通量性能。

图5 3D BNSF的单向流体排水能力的示意图和表征。(a)三维BNSF的单向水传输示意图。(b) 不同BNSF的各向异性突破压力，表明3D BNSF只允许单向水传输。(c-d) MMT结果显示PCL-PCE和TPU-HGC组分别面对3D BNSF顶部和底部表面的相对含水量。(e) 3D BNSF被动吸芯过程的简化机理图（插图显示为垂直方向上的该过程）。

图6 （a-b）不同组（24 h和48 h）活/死细胞的荧光图。（c-d）不同组培养24 h、48 h后的细胞活力；（e-f）PCL、PCL-PCE、TPU-HGC和3D BNSF抗菌性能的定量分析。

图7 (a) 11天伤口闭合的图像和(b)伤口收缩的示意图。(c) 各组在不同天数内创面面积的定量变化。第11天不同治疗后伤口组织的(d) H&E染色（比例尺：100 μm）、CD31免疫染色（比例尺：100 μm）和Masson染色（比例尺：100 μm）。

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来源：高分子科学前沿

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