用于感染伤口愈合的鱼鳞衍生多功能纳米纤维膜

基本信息

英文标题：A fish-scale derived multifunctional nanofiber membrane for infected wound healing

中文标题：用于感染伤口愈合的鱼鳞衍生多功能纳米纤维膜

发表期刊：《Biomaterials Science》

影响因子：6.6

作者单位：福建泉州师范学院化学与材料工程学院、华侨大学生物医学学院等

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

研究背景

皮肤由表皮、真皮和皮下组织组成，具有保护身体、维持体液平衡和调节体温的功能。皮肤的自我修复过程包括止血、炎症、血管生成、细胞增殖和迁移、肉芽组织生长以及再上皮化。创伤部位易受细菌、真菌等微生物感染，导致愈合延迟和全身性感染风险增加。感染性创伤在临床医学中是一个重大挑战，尤其在欧美国家，创伤是导致死亡的主要原因之一。糖尿病患者因血液循环和免疫功能问题，伤口愈合能力差，且缺乏有效的敷料或治疗技术。传统敷料无法有效预防感染或促进愈合，现有技术难以满足抗感染和促进愈合的双重需求。

未来研究方向包括开发多功能敷料、针对糖尿病患者的个性化治疗方案以及探索生物材料和干细胞技术。

研究方法

1.材料

鱼鳞、化学试剂(硝酸铜、硫代乙酰胺等)、细菌(E. coli、S. aureus)、聚合物(PVP、PVB)及ICR小鼠。

2.FSC/CuS纳米颗粒的合成与表征

合成：从鱼鳞提取FSC，与Cu(NO3)2和硫代乙酰胺反应，90°C下搅拌1小时生成FSC/CuS纳米颗粒。

表征：通过UV-vis、TEM、FT-IR和Zetasizer分析其光学、形貌、化学结构和粒径分布。

3.光热性能测试

将不同浓度FSC/CuS纳米颗粒溶液暴露于1080 nm近红外光下，记录温度变化。

4.抗菌性能测试

通过最小杀菌浓度(MBC)和菌落计数法评估FSC/CuS纳米颗粒对E. coli和S. aureus的杀菌效果。

5.FSC/CuS复合纳米纤维的制备与表征

制备：将FSC/CuS纳米颗粒与PVP/PVB混合，静电纺丝制备纳米纤维。

表征：通过SEM、TEM、FT-IR和接触角仪分析其形貌、化学结构和亲水性。

6.性能评价

透气性：测试水蒸气透过率(WVTR)。

细菌屏障：评估纳米纤维对细菌的屏障效果。

抗菌活性：测试纳米纤维对E. coli和S. aureus的抑制作用。

7.细胞实验

细胞毒性：使用CCK-8试剂检测FSC/CuS纳米纤维对L929细胞的毒性。

细胞迁移：通过划痕实验观察纳米纤维对细胞迁移的影响。

8.动物实验

止血实验：评估FSC/CuS纳米纤维对小鼠尾部的止血效果。

伤口愈合：在小鼠背部制作感染性伤口模型，观察纳米纤维结合近红外光对伤口愈合的促进作用。

愈合机制：通过H&E染色、Masson染色和免疫组化分析组织病理学变化。

9.统计分析

使用t检验或单因素方差分析对实验数据进行统计分析。

以上为研究方法的概括整理，涵盖了从材料制备到动物实验的关键步骤。

实验结果

图1：FSC/CuS纳米颗粒的表征与光热性能

(A) UV–vis–NIR吸收光谱：展示了FSC/CuS纳米颗粒在紫外-可见-近红外范围内的吸收特性。

(B) FT-IR光谱：通过傅里叶变换红外光谱分析FSC/CuS纳米颗粒的化学结构。

(C) TEM图像：透射电子显微镜图像显示FSC/CuS纳米颗粒的形貌和尺寸。

(D) 水合粒径：测量FSC/CuS纳米颗粒在水溶液中的粒径分布。

(E) Zeta电位：测定FSC/CuS纳米颗粒的表面电位，反映其稳定性。

(F) 升温曲线：不同浓度的FSC/CuS纳米颗粒溶液在1080 nm近红外光照射下的温度变化曲线，评估其光热性能。

图2：FSC/CuS纳米颗粒的抗菌效果

(A) 最小杀菌浓度(MBC)测定：通过实验确定FSC/CuS纳米颗粒对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)的最小杀菌浓度。

(B) 细菌生长实验：展示不同处理条件下(如FSC/CuS纳米颗粒、近红外光照射等)对E. coli和S. aureus细菌生长的影响。

图3：空白纳米纤维与FSC/CuS纳米纤维的表征

(A) FSC/CuS纳米纤维形貌：展示FSC/CuS纳米纤维的整体形貌。

(B) 空白纳米纤维的水接触角：测量空白纳米纤维的亲水性。

(C) FSC/CuS纳米纤维的水接触角：测量FSC/CuS纳米纤维的亲水性。

(D) FT-IR光谱：通过傅里叶变换红外光谱分析空白纳米纤维和FSC/CuS纳米纤维的化学结构。

(E) 水蒸气透过率(WVTR)：比较空白纳米纤维和FSC/CuS纳米纤维的水蒸气透过性能。

(F, G) 空白纳米纤维的SEM表征：通过扫描电子显微镜观察空白纳米纤维的表面形貌。

(I, J) FSC/CuS纳米纤维的SEM表征：通过扫描电子显微镜观察FSC/CuS纳米纤维的表面形貌(J图比例尺为1 µm)，并展示EDS能谱分析的元素分布。

(H) 空白纳米纤维的TEM图像：通过透射电子显微镜观察空白纳米纤维的内部结构。

(K) FSC/CuS纳米纤维的TEM图像：通过透射电子显微镜观察FSC/CuS纳米纤维的内部结构。

图4：FSC/CuS纳米纤维的抗感染性能

(A) 细菌生长实验：展示在移除0.22 µm微孔膜和FSC/CuS纳米纤维前后，细菌(E. coli和S. aureus)的生长情况。

(B) 细菌屏障率：FSC/CuS纳米纤维对E. coli和S. aureus的屏障效果，数据以均值±标准差表示，**p < 0.01表示与对照组E. coli的显著差异，##p < 0.01表示与对照组S. aureus的显著差异。

(C) 抗菌活性与光热性能：FSC/CuS纳米纤维及其光热性能对E. coli和S. aureus的抗菌效果(1为0.22 µm微孔膜，2、3、4、5、6和T0.5 NF、T1 NF、T2 NF、T4 NF、T6 NF分别表示静电纺丝0.5、1、2、4、6分钟制备的FSC/CuS纳米纤维)。

图5：细胞活力实验

(A) L929细胞形态：展示L929细胞在FSC/CuS纳米纤维浸提液中培养24、48、72小时后的形态变化(比例尺为50 µm)。

(B) 24小时细胞活力：L929细胞在FSC/CuS纳米纤维浸提液中培养24小时后的细胞活力，数据以均值±标准差表示，*p < 0.05表示与对照组的显著差异。

(C) 48小时细胞活力：L929细胞在FSC/CuS纳米纤维浸提液中培养48小时后的细胞活力，数据以均值±标准差表示，*p < 0.05表示与对照组的显著差异。

(D) 72小时细胞活力：L929细胞在FSC/CuS纳米纤维浸提液中培养72小时后的细胞活力，数据以均值±标准差表示，*p < 0.05表示与对照组的显著差异。

注：T2 NF、T4 NF、T6 NF分别表示静电纺丝2、4、6分钟制备的FSC/CuS纳米纤维。

图6：细胞划痕实验

(A) 细胞划痕照片：展示用不同时间静电纺丝制备的FSC/CuS纳米纤维浸提液处理后，L929细胞划痕的愈合情况(比例尺为50 µm)。

(B) 细胞划痕闭合率：不同时间静电纺丝制备的FSC/CuS纳米纤维浸提液处理后，L929细胞划痕的闭合率(n = 5)，数据以均值±标准差表示，*p < 0.05、***p < 0.001表示与对照组的显著差异。

注：T2 NF、T4 NF、T6 NF分别表示静电纺丝2、4、6分钟制备的FSC/CuS纳米纤维。

图7：止血实验

(A) 小鼠尾部止血照片：展示不同处理组(对照组、空白纳米纤维组、FSC/CuS纳米纤维组)小鼠尾部断裂后的止血情况。

(B) 止血时间：各组小鼠的止血时间，数据以均值±标准差表示，*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001表示与对照组的显著差异。

(C) 失血量：各组小鼠的失血量，数据以均值±标准差表示，*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001表示与对照组的显著差异。

注：Blank NF表示空白纳米纤维，CuS NF表示原位静电纺丝制备的FSC/CuS纳米纤维。

图8：感染性伤口愈合的体内评估

(A) 不同治疗方法在第0、2、4、6、8、10、12和14天处理感染伤口的照片;

(B) 小鼠感染伤口的愈合率(n = 6)。数值为平均值±标准差。*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，与对照组相比。

CuS NF 表示通过静电纺丝4分钟原位制备的FSC/CuS纳米纤维。

图9：感染性伤口愈合的组织学评估

(A) 各组在第8天和第14天的H&E染色(比例尺 = 500 µm，黑色箭头表示愈合程度);

(B) H&E染色放大图显示表皮愈合(比例尺 = 50 µm，黑色箭头表示表皮厚度，红色箭头表示瘢痕组织);

(C) 肉芽组织的放大图(比例尺 = 20 µm)。

CuS NF 表示原位沉积4分钟的FSC/CuS纳米纤维。

图10：各组小鼠感染伤口组织在第8天和第14天的Masson染色结果(n = 3)

CuS NF 表示原位沉积4分钟的FSC/CuS纳米纤维，蓝色部分为胶原纤维，比例尺 = 100 µm。

图11：感染伤口组织中炎症相关因子的表达

(A) 各组在第8天和第14天伤口肉芽组织中TNF-α的免疫组化染色结果。比例尺 = 50 µm。

(B) 各组在第8天和第14天伤口肉芽组织中IL-6的免疫组化染色结果。比例尺 = 50 µm。

(C) 各组在第8天和第14天伤口肉芽组织中MCP-1的免疫组化染色结果。比例尺 = 50 µm。

(D) 各组在第8天和第14天形成肉芽组织中心的伤口边缘TNF-α表达的定量分析(n = 3)。

(E) 各组在第8天和第14天形成肉芽组织中心的伤口边缘IL-6表达的定量分析(n = 3)。

(F) 各组在第8天和第14天形成肉芽组织中心的伤口边缘MCP-1表达的定量分析(n = 3)。

数据以平均值±标准差表示;*p < 0.05，**p < 0.01，与对照组相比。红色箭头指示的棕色区域表示相应细胞因子的阳性表达。

图12：感染伤口组织中TGF-β通路相关因子的表达

(A) 各组在第8天和第14天伤口肉芽组织中TGF-β的免疫组化染色结果。比例尺 = 50 µm。

(B) 各组在第8天和第14天伤口肉芽组织中α-SMA的免疫组化染色结果。比例尺 = 50 µm。

(C) 各组在第8天和第14天形成肉芽组织中心的伤口边缘TGF-β表达的定量分析(n = 3)。

(D) 各组在第8天和第14天形成肉芽组织中心的伤口边缘α-SMA表达的定量分析(n = 3)。

数据以平均值±标准差表示;*p < 0.05，**p < 0.01，与对照组相比。红色箭头指示的棕色区域表示相应细胞因子的阳性表达。

研究结论

开发了一种负载FSC/CuS纳米颗粒的抗菌纳米纤维，具有优异的润湿性、透气性、抗感染性、光热性能、生物相容性和促进细胞迁移的能力。

在体外实验中，该纳米纤维在细胞水平上加速划痕愈合，并在约1分钟内实现有效止血。

在小鼠全层感染伤口模型中，FSC/CuS纳米纤维通过原位静电纺丝制备，其光热效应促进伤口愈合并提高愈合质量。

通过组织学评估发现，原位沉积的FSC/CuS纳米纤维结合近红外光能够限制炎症反应，加速组织愈合速度，并缩短伤口修复时间。

该策略在临床应用中具有巨大潜力，可用于有效治疗感染伤口并预防感染伤口的形成。

研究存在局限性，例如未与已知的感染伤口治疗药物进行比较。

未来计划跟进与已知药物的比较研究，进一步完善该策略的应用价值。

总结：FSC/CuS纳米颗粒与聚合物纳米纤维的结合使用可显著加速感染伤口的愈合，具有重要的临床应用前景。