基本信息

英文標題：A fish-scale derived multifunctional nanofiber membrane for infected wound healing

中文標題：用于感染傷口愈合的魚鱗衍生多功能納米纖維膜

發(fā)表期刊：《Biomaterials Science》

影響因子：6.6

作者單位：福建泉州師范學院化學與材料工程學院、華僑大學生物醫(yī)學學院等

作者信息：Hailing Li，Zewen Kang，Enxue He et al.

研究背景

皮膚由表皮、真皮和皮下組織組成，具有保護身體、維持體液平衡和調(diào)節(jié)體溫的功能。皮膚的自我修復過程包括止血、炎癥、血管生成、細胞增殖和遷移、肉芽組織生長以及再上皮化。創(chuàng)傷部位易受細菌、真菌等微生物感染，導致愈合延遲和全身性感染風險增加。感染性創(chuàng)傷在臨床醫(yī)學中是一個重大挑戰(zhàn)，尤其在歐美國家，創(chuàng)傷是導致死亡的主要原因之一。糖尿病患者因血液循環(huán)和免疫功能問題，傷口愈合能力差，且缺乏有效的敷料或治療技術(shù)。傳統(tǒng)敷料無法有效預(yù)防感染或促進愈合，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足抗感染和促進愈合的雙重需求。

未來研究方向包括開發(fā)多功能敷料、針對糖尿病患者的個性化治療方案以及探索生物材料和干細胞技術(shù)。

研究方法

1.材料

魚鱗、化學試劑(硝酸銅、硫代乙酰胺等)、細菌(E. coli、S. aureus)、聚合物(PVP、PVB)及ICR小鼠。

2.FSC/CuS納米顆粒的合成與表征

合成：從魚鱗提取FSC，與Cu(NO3)2和硫代乙酰胺反應(yīng)，90°C下攪拌1小時生成FSC/CuS納米顆粒。

表征：通過UV-vis、TEM、FT-IR和Zetasizer分析其光學、形貌、化學結(jié)構(gòu)和粒徑分布。

3.光熱性能測試

將不同濃度FSC/CuS納米顆粒溶液暴露于1080 nm近紅外光下，記錄溫度變化。

4.抗菌性能測試

通過最小殺菌濃度(MBC)和菌落計數(shù)法評估FSC/CuS納米顆粒對E. coli和S. aureus的殺菌效果。

5.FSC/CuS復合納米纖維的制備與表征

制備：將FSC/CuS納米顆粒與PVP/PVB混合，靜電紡絲制備納米纖維。

表征：通過SEM、TEM、FT-IR和接觸角儀分析其形貌、化學結(jié)構(gòu)和親水性。

6.性能評價

透氣性：測試水蒸氣透過率(WVTR)。

細菌屏障：評估納米纖維對細菌的屏障效果。

抗菌活性：測試納米纖維對E. coli和S. aureus的抑制作用。

7.細胞實驗

細胞毒性：使用CCK-8試劑檢測FSC/CuS納米纖維對L929細胞的毒性。

細胞遷移：通過劃痕實驗觀察納米纖維對細胞遷移的影響。

8.動物實驗

止血實驗：評估FSC/CuS納米纖維對小鼠尾部的止血效果。

傷口愈合：在小鼠背部制作感染性傷口模型，觀察納米纖維結(jié)合近紅外光對傷口愈合的促進作用。

愈合機制：通過H&E染色、Masson染色和免疫組化分析組織病理學變化。

9.統(tǒng)計分析

使用t檢驗或單因素方差分析對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

以上為研究方法的概括整理，涵蓋了從材料制備到動物實驗的關(guān)鍵步驟。

實驗結(jié)果

圖1：FSC/CuS納米顆粒的表征與光熱性能

(A) UV–vis–NIR吸收光譜：展示了FSC/CuS納米顆粒在紫外-可見-近紅外范圍內(nèi)的吸收特性。

(B) FT-IR光譜：通過傅里葉變換紅外光譜分析FSC/CuS納米顆粒的化學結(jié)構(gòu)。

(C) TEM圖像：透射電子顯微鏡圖像顯示FSC/CuS納米顆粒的形貌和尺寸。

(D) 水合粒徑：測量FSC/CuS納米顆粒在水溶液中的粒徑分布。

(E) Zeta電位：測定FSC/CuS納米顆粒的表面電位，反映其穩(wěn)定性。

(F) 升溫曲線：不同濃度的FSC/CuS納米顆粒溶液在1080 nm近紅外光照射下的溫度變化曲線，評估其光熱性能。

圖2：FSC/CuS納米顆粒的抗菌效果

(A) 最小殺菌濃度(MBC)測定：通過實驗確定FSC/CuS納米顆粒對大腸桿菌(E. coli)和金黃色葡萄球菌(S. aureus)的最小殺菌濃度。

(B) 細菌生長實驗：展示不同處理條件下(如FSC/CuS納米顆粒、近紅外光照射等)對E. coli和S. aureus細菌生長的影響。

圖3：空白納米纖維與FSC/CuS納米纖維的表征

(A) FSC/CuS納米纖維形貌：展示FSC/CuS納米纖維的整體形貌。

(B) 空白納米纖維的水接觸角：測量空白納米纖維的親水性。

(C) FSC/CuS納米纖維的水接觸角：測量FSC/CuS納米纖維的親水性。

(D) FT-IR光譜：通過傅里葉變換紅外光譜分析空白納米纖維和FSC/CuS納米纖維的化學結(jié)構(gòu)。

(E) 水蒸氣透過率(WVTR)：比較空白納米纖維和FSC/CuS納米纖維的水蒸氣透過性能。

(F, G) 空白納米纖維的SEM表征：通過掃描電子顯微鏡觀察空白納米纖維的表面形貌。

(I, J) FSC/CuS納米纖維的SEM表征：通過掃描電子顯微鏡觀察FSC/CuS納米纖維的表面形貌(J圖比例尺為1 μm)，并展示EDS能譜分析的元素分布。

(H) 空白納米纖維的TEM圖像：通過透射電子顯微鏡觀察空白納米纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(K) FSC/CuS納米纖維的TEM圖像：通過透射電子顯微鏡觀察FSC/CuS納米纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4：FSC/CuS納米纖維的抗感染性能

(A) 細菌生長實驗：展示在移除0.22 μm微孔膜和FSC/CuS納米纖維前后，細菌(E. coli和S. aureus)的生長情況。

(B) 細菌屏障率：FSC/CuS納米纖維對E. coli和S. aureus的屏障效果，數(shù)據(jù)以均值±標準差表示，**p < 0.01表示與對照組E. coli的顯著差異，##p < 0.01表示與對照組S. aureus的顯著差異。

(C) 抗菌活性與光熱性能：FSC/CuS納米纖維及其光熱性能對E. coli和S. aureus的抗菌效果(1為0.22 μm微孔膜，2、3、4、5、6和T0.5 NF、T1 NF、T2 NF、T4 NF、T6 NF分別表示靜電紡絲0.5、1、2、4、6分鐘制備的FSC/CuS納米纖維)。

圖5：細胞活力實驗

(A) L929細胞形態(tài)：展示L929細胞在FSC/CuS納米纖維浸提液中培養(yǎng)24、48、72小時后的形態(tài)變化(比例尺為50 μm)。

(B) 24小時細胞活力：L929細胞在FSC/CuS納米纖維浸提液中培養(yǎng)24小時后的細胞活力，數(shù)據(jù)以均值±標準差表示，*p < 0.05表示與對照組的顯著差異。

(C) 48小時細胞活力：L929細胞在FSC/CuS納米纖維浸提液中培養(yǎng)48小時后的細胞活力，數(shù)據(jù)以均值±標準差表示，*p < 0.05表示與對照組的顯著差異。

(D) 72小時細胞活力：L929細胞在FSC/CuS納米纖維浸提液中培養(yǎng)72小時后的細胞活力，數(shù)據(jù)以均值±標準差表示，*p < 0.05表示與對照組的顯著差異。

注：T2 NF、T4 NF、T6 NF分別表示靜電紡絲2、4、6分鐘制備的FSC/CuS納米纖維。

圖6：細胞劃痕實驗

(A) 細胞劃痕照片：展示用不同時間靜電紡絲制備的FSC/CuS納米纖維浸提液處理后，L929細胞劃痕的愈合情況(比例尺為50 μm)。

(B) 細胞劃痕閉合率：不同時間靜電紡絲制備的FSC/CuS納米纖維浸提液處理后，L929細胞劃痕的閉合率(n = 5)，數(shù)據(jù)以均值±標準差表示，*p < 0.05、***p < 0.001表示與對照組的顯著差異。

注：T2 NF、T4 NF、T6 NF分別表示靜電紡絲2、4、6分鐘制備的FSC/CuS納米纖維。

圖7：止血實驗

(A) 小鼠尾部止血照片：展示不同處理組(對照組、空白納米纖維組、FSC/CuS納米纖維組)小鼠尾部斷裂后的止血情況。

(B) 止血時間：各組小鼠的止血時間，數(shù)據(jù)以均值±標準差表示，*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001表示與對照組的顯著差異。

(C) 失血量：各組小鼠的失血量，數(shù)據(jù)以均值±標準差表示，*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001表示與對照組的顯著差異。

注：Blank NF表示空白納米纖維，CuS NF表示原位靜電紡絲制備的FSC/CuS納米纖維。

圖8：感染性傷口愈合的體內(nèi)評估

(A) 不同治療方法在第0、2、4、6、8、10、12和14天處理感染傷口的照片;

(B) 小鼠感染傷口的愈合率(n = 6)。數(shù)值為平均值±標準差。*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，與對照組相比。

CuS NF 表示通過靜電紡絲4分鐘原位制備的FSC/CuS納米纖維。

圖9：感染性傷口愈合的組織學評估

(A) 各組在第8天和第14天的H&E染色(比例尺 = 500 μm，黑色箭頭表示愈合程度);

(B) H&E染色放大圖顯示表皮愈合(比例尺 = 50 μm，黑色箭頭表示表皮厚度，紅色箭頭表示瘢痕組織);

(C) 肉芽組織的放大圖(比例尺 = 20 μm)。

CuS NF 表示原位沉積4分鐘的FSC/CuS納米纖維。

圖10：各組小鼠感染傷口組織在第8天和第14天的Masson染色結(jié)果(n = 3)

CuS NF 表示原位沉積4分鐘的FSC/CuS納米纖維，藍色部分為膠原纖維，比例尺 = 100 μm。

圖11：感染傷口組織中炎癥相關(guān)因子的表達

(A) 各組在第8天和第14天傷口肉芽組織中TNF-α的免疫組化染色結(jié)果。比例尺 = 50 μm。

(B) 各組在第8天和第14天傷口肉芽組織中IL-6的免疫組化染色結(jié)果。比例尺 = 50 μm。

(C) 各組在第8天和第14天傷口肉芽組織中MCP-1的免疫組化染色結(jié)果。比例尺 = 50 μm。

(D) 各組在第8天和第14天形成肉芽組織中心的傷口邊緣TNF-α表達的定量分析(n = 3)。

(E) 各組在第8天和第14天形成肉芽組織中心的傷口邊緣IL-6表達的定量分析(n = 3)。

(F) 各組在第8天和第14天形成肉芽組織中心的傷口邊緣MCP-1表達的定量分析(n = 3)。

數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示;*p < 0.05，**p < 0.01，與對照組相比。紅色箭頭指示的棕色區(qū)域表示相應(yīng)細胞因子的陽性表達。

圖12：感染傷口組織中TGF-β通路相關(guān)因子的表達

(A) 各組在第8天和第14天傷口肉芽組織中TGF-β的免疫組化染色結(jié)果。比例尺 = 50 μm。

(B) 各組在第8天和第14天傷口肉芽組織中α-SMA的免疫組化染色結(jié)果。比例尺 = 50 μm。

(C) 各組在第8天和第14天形成肉芽組織中心的傷口邊緣TGF-β表達的定量分析(n = 3)。

(D) 各組在第8天和第14天形成肉芽組織中心的傷口邊緣α-SMA表達的定量分析(n = 3)。

數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示;*p < 0.05，**p < 0.01，與對照組相比。紅色箭頭指示的棕色區(qū)域表示相應(yīng)細胞因子的陽性表達。

研究結(jié)論

開發(fā)了一種負載FSC/CuS納米顆粒的抗菌納米纖維，具有優(yōu)異的潤濕性、透氣性、抗感染性、光熱性能、生物相容性和促進細胞遷移的能力。

在體外實驗中，該納米纖維在細胞水平上加速劃痕愈合，并在約1分鐘內(nèi)實現(xiàn)有效止血。

在小鼠全層感染傷口模型中，F(xiàn)SC/CuS納米纖維通過原位靜電紡絲制備，其光熱效應(yīng)促進傷口愈合并提高愈合質(zhì)量。

通過組織學評估發(fā)現(xiàn)，原位沉積的FSC/CuS納米纖維結(jié)合近紅外光能夠限制炎癥反應(yīng)，加速組織愈合速度，并縮短傷口修復時間。

該策略在臨床應(yīng)用中具有巨大潛力，可用于有效治療感染傷口并預(yù)防感染傷口的形成。

研究存在局限性，例如未與已知的感染傷口治療藥物進行比較。

未來計劃跟進與已知藥物的比較研究，進一步完善該策略的應(yīng)用價值。

總結(jié)：FSC/CuS納米顆粒與聚合物納米纖維的結(jié)合使用可顯著加速感染傷口的愈合，具有重要的臨床應(yīng)用前景。