《纺织科学研究》2024年11月刊选登：静电纺天然生物材料纳米纤维的制备及创面修复应用

文献引用格式：王睛,杨宏珊,李欣然,等.静电纺天然生物材料纳米纤维的制备及创面修复应用[J].纺织科学研究,2024,(11):30-35.

王睛^1ab，2ab，杨宏珊³，李欣然^1ab，高子茹^1ab，马欣玥^1ab，房宽峻^1ab，王元非^2ab，吴桐^1,2*

（1.青岛大学 a.纺织服装学院; b.山东省医疗健康纺织材料重点实验室，山东 青岛 266071；2.青岛大学 a.青岛医学院; b.青岛大学附属医院医学研究中心，山东 青岛 266071；3.中联品检（北京）技术集团有限公司，北京 100016）

创面通常是由于外界因素如事故、手术或环境因素（包括温度、化学物质等）导致的皮肤或组织损伤^[1]。大体上，创面可分为三大类：由外力引起的机械性损伤、由高温或化学物质造成的热和化学损伤，以及慢性溃疡性伤口。目前，随着再生医学的快速发展，用于创面修复的伤口敷料多种多样，且逐渐从单一功能向多功能转变。开发一种理想的促创面修复的伤口敷料应具备以下两个要素：1）合适的创面修复材料；2）合适的制备工艺^[2]。合适的创面修复材料是促进创面修复的基础，应具有良好的可降解性，能够逐步被自体组织所替代^[3]；同时，合适的创面修复材料还要求材料具有抗感染、促愈合等功能，并且应易于生产和加工^[4]。基于这些要求，天然生物材料因其高生物相容性、可降解性和生物活性等优势已成为创面修复领域的热门材料。

合适的制备工艺是促进创面修复的重要部分^[5]。纳米纤维具有的纳米直径和多孔结构，使其可以模拟天然细胞外基质（ECM）的结构和生物功能，并且在促进细胞附着、生长和分化方面具有更大潜力^[6]。目前已采用多种技术来制造纳米纤维，包括模板合成、自组装、温度诱导相分离、冷冻干燥、静电纺丝等。在这些技术中，静电纺丝技术由于原材料选择的灵活性已广泛应用于创面修复领域^[7]。通过静电纺丝技术制造基于天然生物材料的纳米纤维结构已开发出了多种先进的创面修复敷料。但是，大多数天然纤维存在机械性能弱和不能长时间维持形态的局限性。为解决这些不足，将天然生物材料与具有高机械性能的合成聚合物结合通过多种静电纺丝方法（同轴、多喷嘴、混合静电纺丝或静电纺丝与其他技术结合）开发兼顾物理机械性能、促创面修复和生物活性（抗菌、抗氧化等）的多功能支架成为目前的研究热点。

本文首先对目前在生物医学领域中具有代表性的天然生物材料和静电纺丝工艺进行了介绍和讨论，接着对用于创面修复的天然生物材料制备的2D和3D静电纺纳米纤维支架进行了概述。最后，探讨了天然生物材料目前的局限性以及在未来应用中的展望（见图1）。

1.1 细菌纤维素

细菌纤维素是一种由特定细菌如醋酸杆菌产生的极细天然纤维。尽管细菌纤维素与植物纤维素同样由β-D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接形成长链，但细菌纤维素展现出了一些独特的物理和化学特性。这些特性包括高结晶度、出色的水分保持能力、高抗拉强度等。此外，细菌纤维素还具有良好的生物相容性、生物降解性和较低的生产成本，因此在组织工程和再生医学领域备受青睐，已在伤口愈合、软骨修复、血管再生和骨骼重建等方面展现出良好的应用潜力^[8-9]。

1.2 壳聚糖

壳聚糖（CS）是从甲壳类动物的外壳中提取并通过去乙酰化处理得到的天然多糖，具有良好的生物可降解性和生物相容性[10]。CS及其衍生物在组织工程等多个领域中都有广泛的应用^[11-12]。CS可以通过促进与创面修复相关的细胞生长及促进皮肤创伤组织的微血管生成，来加速创面修复，是皮肤组织再生和修复的良好选择。Mokhtari等人通过将CS与胶原蛋白和负载金纳米粒子的醛改性纳米晶纤维素相结合，开发了一种支架水凝胶，在组织工程中展现出良好的应用潜力^[13]。

1.3 海藻酸盐

海藻酸盐是从藻类和细菌中提取的不规则线性天然多糖聚合物，海藻酸盐包含以重复线性链连接的β-（1–4）-d-甘露糖醛酸和α-（1,4）-l-古罗糖醛酸^[14]。海藻酸盐因其出色的生物相容性、生物可降解性和低毒性而备受关注，在药物传递、组织修复和伤口愈合等多个领域展现出良好的应用潜力。海藻酸盐的卓越性能使其成为石油基塑料的理想替代品，有助于推动循环经济的发展^[15]。同时，海藻酸盐良好的亲水性，使其在伤口敷料中表现出良好的应用效果。海藻酸盐的水凝胶形式和其他衍生物，如氧化海藻酸盐，已被广泛用于生物医学领域。它们不仅能够作为三维支架材料，促进组织愈合和新骨再生，还能通过物理或化学方法进行改性，以提高其机械强度和细胞亲和力。Vettori L探索了丝素蛋白（SF）对含有心脏球体的心脏生物墨水制剂的影响，其中包括了海藻酸盐和明胶（Gel）的水凝胶。研究表明，在海藻酸盐-Gel水凝胶中添加SF可以提高其弹性并控制心脏球体的功能^[16]。

1.4 胶原

胶原蛋白是动物（主要是哺乳动物）结缔组织中的关键蛋白质。它是一种具有高生物相容性和生物降解性的蛋白质。胶原蛋白在维持ECM的生物学和结构完整性方面发挥着重要作用，并为组织提供物理支撑。胶原蛋白来源广泛（如骨、软骨、肌腱、韧带、血管、神经、皮肤），是大多数硬组织和软组织的主要结构蛋白^[17]。此外，胶原蛋白具有低免疫原性、多孔结构、良好的生物相容性、渗透性和生物降解性，具有调节细胞形态、粘附、迁移和分化的功能。因此，它以多种形式应用于医学领域，如支架、药物载体、伤口敷料等。然而，胶原支架缺乏水合时的机械强度和结构稳定性，这限制了它们在特定组织中的应用。胶原支架的分子间交联可以通过物理或化学的方法实现，以提高其支架的力学性能^[18]。Tarif C M开发了一种含有Bhetki鱼皮肤衍生胶原蛋白的生物活性玻璃复合静电纺丝毡，该材料展现出优异的抗菌活性和细胞相容性。兔子模型实验显示，该支架能显著加速伤口愈合过程，提高伤口闭合率，并促进新生血管形成，有效愈合伤口^[19]。

1.5 SF

SF是蜘蛛、蚕、螨、蝎子和苍蝇等幼虫产生的蛋白质丝。从家蚕和蜘蛛获得的丝在商业上得到广泛应用。由于其优异的结构完整性和机械性能，SF基生物材料被用于肌肉骨骼组织工程。Park YR通过添加氯化钠晶体到电纺SF纳米纤维中，成功制备了具有改善孔隙结构的3D SF支架。该支架支持成纤维细胞和角质形成细胞的共培养及增殖，促进人造双层皮肤的体外构建，为皮肤组织工程提供了一种有效的支架材料^[20]。

1.6 Gel

Gel是胶原蛋白水解得到的蛋白质分子，有助于细胞粘附、增殖和分化。Gel生产的主要来源是从哺乳动物中提取，特别是牛皮和猪皮。涂有Gel的支架抑制补体系统和调理作用，因此降低了免疫原性。体外研究表明，基于Gel的支架可以控制细胞分化和基因表达。Hadisi Z开发了一种含有Lawsonia Inermis的生物活性Gel氧化淀粉纳米纤维，用于治疗二度烧伤创面，该纳米纤维在促进伤口愈合和减少炎症反应方面展示出显著效果^[21]。Bhowmick S开发了一种新型的丝胶增强纳米纤维复合支架，通过阳离子Gel、透明质酸和软骨素硫酸盐复合，促进人间充质干细胞向表皮细胞系分化，具有优异的体外生物相容性，并在体内研究中表现出显著的伤口愈合效果^[22]。

静电纺丝是在高压电场的作用下，使聚合物溶液或熔体喷射出来形成纤维细丝。在这个过程中，带电的聚合物液滴在电场力的作用下从毛细管的Taylor锥顶点被加速，当电场力够大时，聚合物液滴由于表面张力产生了喷射细流。细流在发射过程中因溶液的挥发而逐渐凝固，最后落在接收器中，从而产生了类似于非织造布样的纤维毡^[23]（见图2）。

进入21世纪，由于静电纺丝过程的简单性，以及其所能提供的支架几何形状和机械特性的多样性和易控制性，传统静电纺丝技术在全球科研和工业界迅速发展。2003年，Sun Z C等人提出了一种创新的静电纺丝技术，通过同轴喷嘴同时喷射两种不同的溶液，成功制备出了具有核壳结构的同轴纳米纤维，实现材料的封装^[24]。这一技术的提出，不仅丰富了静电纺丝技术的种类，也为后续的研究和应用开发提供了新的方向。为了增加电纺膜的三维度，Teo W-E等人创建了一种静电纺丝系统，该系统结合了水涡流来收集纳米纤维，从而产生可用作组织工程支架的高度多孔的纱线^[25]。2011年，Zhou Z通过聚己内酯（PCL）电纺纤维膜和Gel的接枝，再结合额外的Gel涂层及交联和冷冻干燥工艺，开发了一种具有改进表面特性和增强细胞附着能力的双层多孔支架，为组织工程提供了新的策略^[26]。Tian J通过共轭静电纺丝技术成功制备了具有磁性和荧光双重功能的Janus微纤维阵列。这项工作为制造其他先进的多功能材料提供了一种有效的方法^[27]。Dang J通过制造具有不同化学成分和模仿ECM结构排列的胶原蛋白/聚L-丙交酯-己内酯（PLCL）微纤维，将微纤维包裹在具有超高机械性能的聚对二氧环己酮（PDO）单丝上，以创建胶原蛋白/PLCL@PDO对齐缝合线。这项研究阐明了电纺纤维支架的结构和机械动力学^[28]。

慢性、难愈合伤口或大规模外伤，例如由烧伤或烫伤造成的伤口，会有导致人体全身感染的风险，对健康构成重大威胁^[29]。自体皮肤移植虽然能加速伤口愈合和恢复伤口处皮肤的正常功能，但是同样会导致供区损伤，并且存在无法使用的风险^[30]。作为一种皮肤替代品，静电纺丝纳米纤维展现出显著的潜力，它们能够模拟皮肤中ECM结构，使细胞能够粘附、增长，并穿透支架，进而促进新真皮层的形成。

虽然天然高分子（如CS、I型胶原、Gel等）纤维具有良好的生物相容性，但是天然高分子纤维在体液环境中机械强度较差，一定程度上限制了其在天然聚合物纤维上的应用。基于天然高分子易降解、生物相容性好等优点，将天然高分子与合成高分子（如聚乙烯醇、PCL等）共混，或在合成高分子纤维表面添加天然高分子进行改性，可改善天然高分子纤维机械强度差的问题，同时保持天然高分子的优点，扩大了天然高分子的应用范围^[31]。因此，创面修复的静电纺纳米纤维支架的材料选取逐渐从纯天然生物材料到天然生物材料与合成聚合物结合的方向转变。

3.1 2D支架

许多体外研究表明，基于天然生物材料的电纺膜比基于合成聚合物的纤维具有更好的细胞粘附和增殖特性。早期，Min B M采用电纺丝方法制造了用于正常人角质细胞和成纤维细胞培养的SF纳米无纺布。研究结果表明，SF纳米纤维可以很好地应用于生物医学领域，如伤口敷料和组织工程支架^[32]。将SF、甲壳素和纤维素等天然生物材料与合成聚合物结合可以增加其机械复杂性，同时降低其加工性能^[33]。最近，Fang Y等通过溶液共混静电纺制备了聚乳酸/SF复合抗菌纳米纤维膜。这种材料不仅具有高比表面积和多孔结构，利于细胞的粘附和增殖，还通过负载银纳米颗粒和氧化银展现了出色的抗菌活性。实验结果表明，这种纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著的抑菌效果，同时保持了良好的细胞相容性^[34]。另外一项研究发现，没食子儿茶素-3-O-没食子酸酯（EGCG）可通过在愈合过程中促进上皮细胞再生来治疗皮肤伤口，Li A等通过同轴静电纺丝技术制备出PLCL/Gel/EGCG/核壳纳米纤维。该纤维作为一种新型的EGCG局部输送敷料，展现出优异的抗菌、抗氧化性能及良好的生物相容性，能有效促进伤口愈合和止血^[35]。Song J等通过胶体静电纺丝技术将Gel纳米球掺入SF纳米纤维中，成功制备了一种具有药物缓释能力的纳米纤维给药系统。该系统展现出优异的生物相容性、抗菌和抗氧化能力，支持细胞活力和增殖，促进伤口愈合，同时具有止血效果，为再生医学领域提供了一种新的有效药物递送系统^[36]。

3.2 3D支架

静电纺丝3D支架是通过静电纺丝技术构建的立体结构，其特点包括高度的孔隙率和大的比表面积，这有助于提高细胞的渗透和营养物质的传输。这种支架模仿了天然ECM，提供了有利于细胞黏附、生长和分化的微环境。其优点在于可调控的物理化学性质、良好的生物相容性、可降解性，能够整合生物活性分子以促进组织再生，使其在组织工程和再生医学中具有广泛的应用潜力。与2D支架结构相比，3D支架具有优越的细胞分化和发育速率，更高的遗传物质表达，包括ECM分泌和细胞代谢。

用于制造3D纳米纤维结构的静电纺丝方法具有形态控制、支架孔隙率和纤维尺寸可调的优点。最近，Xie X通过共轭静电纺丝技术制备的3D Gel纳米纤维海绵，与2D纤维膜相比，Gel纳米纤维海绵表现出更优异的生物相容性、高吸血能力和快速止血效果，展现出作为可吸收止血剂的巨大潜力^[37]。Ramesh P通过冷冻静电纺丝技术制备的3D多孔支架，成功模拟了软组织ECM的物理和生化特性。这些支架具有类似于软组织结缔组织ECM的机械性能，展现出促进细胞渗透、存活和维持基质细胞表型的能力，表明其在再生医学应用中的巨大潜力^[38]。Aleemardani M开发了一种三层结构（水凝胶-电纺纤维-水凝胶）的复合支架，通过静电纺丝技术将过氧化钙和SF结合，实现了氧气的输送和控制，同时利用槲皮素的抗氧化特性来清除活性氧，促进了细胞活力，为组织工程提供了一种安全有效的氧气供应策略^[39]。

天然高分子Gel可以维持伤口湿润环境，促进伤口愈合，但Gel纤维与水接触后立即溶解并失去纤维形态^[40]。为了解决Gel纳米纤维易溶于水的问题，Sanhueza C使用聚3-羟基丁酸酯（PHB）（8% w/v）的氯仿溶液和Gel（30% w/v）的醋酸溶液为纺丝溶液，采用双针双射流静电纺丝技术制备了双尺寸的Gel/PHB纳米/微米纤维。这种纤维膜可以在28天内缓慢释放丝胶，促进伤口愈合过程从炎症阶段向增殖阶段转变，有利于糖尿病伤口愈合^[41]。

近年来，随着生物学、材料学的迅速发展，静电纺天然生物材料纳米纤维支架在创面修复领域展现出了巨大的潜力，但仍旧面临诸多挑战，如无法十分精确地模拟人体皮肤的力学特性，以及无法有效控制降解速率以匹配创面愈合过程。

未来组织工程修复材料的发展方向或将围绕临床需求展开。首先，通过改性技术增强天然生物材料的机械性能、稳定性，以更好地满足不同修复需求。其次，临床研究将持续推动静电纺天然生物材料纳米纤维支架的应用，以确保其在临床实践中的有效性和安全性。最后，对于患者的治疗需求，未来静电纺天然生物材料纳米纤维支架的设计将不仅着眼于缺损的填补，更有美观性的需求，如瘢痕预防、毛囊再生等。总之，在现代科学技术的发展推动下，静电纺天然生物材料纳米纤维支架在创面修复领域的应用前景将更加广阔。