文献解读‖Research：用于伤口愈合的具有各向异性润湿性的 Janus 纺织品的分级纺丝
1. 研究背景及领域挑战
作为人体的天然屏障，皮肤执行重要的生理功能以维持体内平衡，例如保护、感觉、温度调节、吸收、分泌和排泄、新陈代谢和免疫调节。当遭受外伤、擦伤、皮肤溃烂或烧伤时，组织结构会受损，甚至在细菌感染后会伴有严重的并发症。为了实现伤口的快速愈合，近年来开发了许多生物医学敷料，包括生物膜、多孔海绵和功能化水凝胶。其中，水凝胶因其维持创面湿润愈合环境、降低创面表面温度、促进细胞增殖和迁移以及促进营养物质扩散和渗透等优越性能而备受关注。然而，这些亲水性水凝胶材料在吸收液体后会保持过度湿润，不利于创面渗出液的持续吸收。此外，水凝胶因吸收液体而发生溶胀，使创面难以实现充分的氧气交换，从而阻碍创面愈合过程。因此，新型水凝胶伤口敷料仍备受期待。
在本文中，我们通过使用分级微流体纺丝技术提出了具有各向异性润湿性的新型 Janus 纺织品，用于伤口愈合，如图 1 所示。微流体是一个新兴领域，涵盖了化学、光学、生物学、流体力学和微纳加工的交叉学科。利用微流体显着的流体操纵能力，通过微流体纺丝开发了一系列具有不同成分、形貌和功能的微纤维。在构建水凝胶基材料时，这些作为构建块的微纤维可以为系统提供微米级的形态特征。相比之下，微流体静电纺丝技术适用于制备纳米级纤维。衍生的纳米纤维与细胞外基质具有机械、结构和生物学相似性，可以作为医用敷料，为细胞增殖和组织生长提供必要的支持和引导。更重要的是，通过选择疏水聚合物等具有预期特性的生物材料，可以轻松控制静电纺丝纳米纤维的润湿性。因此，我们设想将这两种不同规模的功能性纤维整合在一起，开发出一种促进伤口愈合的新型 Janus 纺织品。
2. 文章详情
在此，我们通过结合微流控纺丝和静电纺丝技术制备了所需的伤口敷料。海藻酸钠已被证明在伤口愈合领域具有多项优势，包括其吸收水分并形成凝胶状物质的能力，以及促进细胞增殖和组织再生的能力。基于毛细管微流体装置的精确操作，可以连续生成和收集海藻酸钙 (Ca-Alg) 微纤维。在此过程中，可以通过改变内相Na-Alg和外相CaCl2溶液的流速比来精确控制微纤维的直径。随后，利用静电纺丝技术，将由掺杂有抗菌银纳米粒子 (Ag NPs) 的聚乳酸 (PLA) 组成的纳米纤维沉积在冷冻干燥的水凝胶微纤维编织纺织品上。由于水凝胶纺织品表面的粗糙度和 PLA 溶液到达表面时的不完全蒸发，电纺纳米纤维层可以与水凝胶层很好地耦合，形成具有各向异性润湿性的 Janus 纺织品。当应用于动物实验时，疏水性 PLA 面朝下用于伤口处理。得益于润湿性差异，伤口渗出液可以在引流力的作用下从疏水侧泵送到亲水侧。此外，Janus 纺织品的疏水面可以阻止多余的液体再次渗入伤口，从而保持伤口表面的透气性。更重要的是，掺入疏水性纳米纤维中的 Ag NPs 表现出优异的抗菌效果，可进一步促进伤口愈合过程。这些特性使这种具有各向异性润湿性的 Janus 医用纺织品成为组织再生和其他生物医学应用的理想选择。
图 1. 制作工艺及应用方案。具有各向异性润湿性的 Janus 纤维织物的分级纺丝制造过程和伤口愈合应用示意图。
3. 图文解析
图 2. 水凝胶微纤维和静电纺丝 PLA 纳米纤维的表征。 (A) 层次结构的 Janus 纤维纺织品示意图。(B) Ca-Alg 微纤维的显微镜图像。比例尺表示 300 μm。 (C) Ca-Alg 微纤维的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。比例尺为 100 μm。 (D 和 E) Ca-Alg 超细纤维织物在 (D) 表面和 (E) 横截面的 SEM 图像。比例尺为 200 μm。 (F) 横截面的放大场。比例尺为 100 μm。 (G 和 H) Janus 纤维纺织品 (G) 的 SEM 图像和静电纺丝 PLA 纳米纤维 (H) 的放大视野。比例尺分别为 200 和 5 μm。 (I) Ca-Alg 微纤维和 PLA 纳米纤维的连接处。比例尺为 50 μm。
图 3. 通过与 Ca-Alg 纤维织物敷料的比较，证明了 Janus 纤维敷料的单向排液能力。 （A 到 D）液滴与 Ca-Alg 纤维纺织敷料（A 和 B）和 Janus 纤维敷料（C 和 D）相互作用的示意图和图像。比例尺为 3 mm
图4. Janus 纤维膜的抗菌性能。 (A) 抗感染活性示意图。 （B 和 C）分别与 PBS 溶液、Ag NP 和 Janus 纤维纺织品共培养的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的荧光染色图像。比例尺为 50 μm。 (D 和 E) 3 组金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的死亡率。 NS，不显着； **P < 0.01，***P < 0.001。
图 5. 不同群体的愈合过程。 (A) 第 0 天、第 3 天、第 5 天、第 7 天和第 9 天来自不同组的伤口图像：PBS 对照组、Alg 敷料组、Janus 敷料组和 Ag NPs 敷料组。比例尺为 1 厘米。 (B) 不同组的伤口愈合率。 (C) 不同组的相对体重。 *P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。
图6 HE染色和Masson染色结果。 (A) 9 天后伤口的代表性 HE 染色。比例尺为 500 μm。 (B) 9 天后伤口的代表性 Masson 染色。比例尺为 50 μm。 (C 和 D) HE (C) 和 Masson (D) 染色的统计分析。 *P < 0.05，**P < 0.01。
4. 结论
总之，我们提出了一种新的分层纺丝策略，用于制备具有各向异性润湿性的 Janus 纤维纺织品。海藻酸钠和PLA在创面修复中促进细胞增殖和组织再生的优势得到了充分发挥。与普通纱布相比，这种纤维纺织品还可以达到更好的吸水效果，并且可以负载多种活性因子和药物来促进修复过程。此外，通过亲水和疏水纤维在两个不同侧面的结合以及亲水和疏水位点的连接，这种纺织品可以实现单向液体输送，从而排出创面渗出的液体，避免过度润湿。此外，为了赋予这种Janus纤维纺织品更多的功能，我们在疏水性PLA侧添加了Ag NPs, Ag NPs与创面接触后，可以有效地达到抗菌效果，进一步提高创面修复效率。我们认为这些Janus纤维织物具有各向异性润湿性是理想的生物医学应用。
1. 研究背景及领域挑战
作为人体的天然屏障，皮肤执行重要的生理功能以维持体内平衡，例如保护、感觉、温度调节、吸收、分泌和排泄、新陈代谢和免疫调节。当遭受外伤、擦伤、皮肤溃烂或烧伤时，组织结构会受损，甚至在细菌感染后会伴有严重的并发症。为了实现伤口的快速愈合，近年来开发了许多生物医学敷料，包括生物膜、多孔海绵和功能化水凝胶。其中，水凝胶因其维持创面湿润愈合环境、降低创面表面温度、促进细胞增殖和迁移以及促进营养物质扩散和渗透等优越性能而备受关注。然而，这些亲水性水凝胶材料在吸收液体后会保持过度湿润，不利于创面渗出液的持续吸收。此外，水凝胶因吸收液体而发生溶胀，使创面难以实现充分的氧气交换，从而阻碍创面愈合过程。因此，新型水凝胶伤口敷料仍备受期待。
在本文中，我们通过使用分级微流体纺丝技术提出了具有各向异性润湿性的新型 Janus 纺织品，用于伤口愈合，如图 1 所示。微流体是一个新兴领域，涵盖了化学、光学、生物学、流体力学和微纳加工的交叉学科。利用微流体显着的流体操纵能力，通过微流体纺丝开发了一系列具有不同成分、形貌和功能的微纤维。在构建水凝胶基材料时，这些作为构建块的微纤维可以为系统提供微米级的形态特征。相比之下，微流体静电纺丝技术适用于制备纳米级纤维。衍生的纳米纤维与细胞外基质具有机械、结构和生物学相似性，可以作为医用敷料，为细胞增殖和组织生长提供必要的支持和引导。更重要的是，通过选择疏水聚合物等具有预期特性的生物材料，可以轻松控制静电纺丝纳米纤维的润湿性。因此，我们设想将这两种不同规模的功能性纤维整合在一起，开发出一种促进伤口愈合的新型 Janus 纺织品。
2. 文章详情
在此，我们通过结合微流控纺丝和静电纺丝技术制备了所需的伤口敷料。海藻酸钠已被证明在伤口愈合领域具有多项优势，包括其吸收水分并形成凝胶状物质的能力，以及促进细胞增殖和组织再生的能力。基于毛细管微流体装置的精确操作，可以连续生成和收集海藻酸钙 (Ca-Alg) 微纤维。在此过程中，可以通过改变内相Na-Alg和外相CaCl2溶液的流速比来精确控制微纤维的直径。随后，利用静电纺丝技术，将由掺杂有抗菌银纳米粒子 (Ag NPs) 的聚乳酸 (PLA) 组成的纳米纤维沉积在冷冻干燥的水凝胶微纤维编织纺织品上。由于水凝胶纺织品表面的粗糙度和 PLA 溶液到达表面时的不完全蒸发，电纺纳米纤维层可以与水凝胶层很好地耦合，形成具有各向异性润湿性的 Janus 纺织品。当应用于动物实验时，疏水性 PLA 面朝下用于伤口处理。得益于润湿性差异，伤口渗出液可以在引流力的作用下从疏水侧泵送到亲水侧。此外，Janus 纺织品的疏水面可以阻止多余的液体再次渗入伤口，从而保持伤口表面的透气性。更重要的是，掺入疏水性纳米纤维中的 Ag NPs 表现出优异的抗菌效果，可进一步促进伤口愈合过程。这些特性使这种具有各向异性润湿性的 Janus 医用纺织品成为组织再生和其他生物医学应用的理想选择。
图 1. 制作工艺及应用方案。具有各向异性润湿性的 Janus 纤维织物的分级纺丝制造过程和伤口愈合应用示意图。
3. 图文解析
图 2. 水凝胶微纤维和静电纺丝 PLA 纳米纤维的表征。 (A) 层次结构的 Janus 纤维纺织品示意图。(B) Ca-Alg 微纤维的显微镜图像。比例尺表示 300 μm。 (C) Ca-Alg 微纤维的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。比例尺为 100 μm。 (D 和 E) Ca-Alg 超细纤维织物在 (D) 表面和 (E) 横截面的 SEM 图像。比例尺为 200 μm。 (F) 横截面的放大场。比例尺为 100 μm。 (G 和 H) Janus 纤维纺织品 (G) 的 SEM 图像和静电纺丝 PLA 纳米纤维 (H) 的放大视野。比例尺分别为 200 和 5 μm。 (I) Ca-Alg 微纤维和 PLA 纳米纤维的连接处。比例尺为 50 μm。
图 3. 通过与 Ca-Alg 纤维织物敷料的比较，证明了 Janus 纤维敷料的单向排液能力。 （A 到 D）液滴与 Ca-Alg 纤维纺织敷料（A 和 B）和 Janus 纤维敷料（C 和 D）相互作用的示意图和图像。比例尺为 3 mm
图4. Janus 纤维膜的抗菌性能。 (A) 抗感染活性示意图。 （B 和 C）分别与 PBS 溶液、Ag NP 和 Janus 纤维纺织品共培养的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的荧光染色图像。比例尺为 50 μm。 (D 和 E) 3 组金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的死亡率。 NS，不显着； **P < 0.01，***P < 0.001。
图 5. 不同群体的愈合过程。 (A) 第 0 天、第 3 天、第 5 天、第 7 天和第 9 天来自不同组的伤口图像：PBS 对照组、Alg 敷料组、Janus 敷料组和 Ag NPs 敷料组。比例尺为 1 厘米。 (B) 不同组的伤口愈合率。 (C) 不同组的相对体重。 *P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。
图6 HE染色和Masson染色结果。 (A) 9 天后伤口的代表性 HE 染色。比例尺为 500 μm。 (B) 9 天后伤口的代表性 Masson 染色。比例尺为 50 μm。 (C 和 D) HE (C) 和 Masson (D) 染色的统计分析。 *P < 0.05，**P < 0.01。
4. 结论
总之，我们提出了一种新的分层纺丝策略，用于制备具有各向异性润湿性的 Janus 纤维纺织品。海藻酸钠和PLA在创面修复中促进细胞增殖和组织再生的优势得到了充分发挥。与普通纱布相比，这种纤维纺织品还可以达到更好的吸水效果，并且可以负载多种活性因子和药物来促进修复过程。此外，通过亲水和疏水纤维在两个不同侧面的结合以及亲水和疏水位点的连接，这种纺织品可以实现单向液体输送，从而排出创面渗出的液体，避免过度润湿。此外，为了赋予这种Janus纤维纺织品更多的功能，我们在疏水性PLA侧添加了Ag NPs, Ag NPs与创面接触后，可以有效地达到抗菌效果，进一步提高创面修复效率。我们认为这些Janus纤维织物具有各向异性润湿性是理想的生物医学应用。
