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河北工业大学夏丹团队 CEJ：3D纳米纤维海绵 - 全新组织可再生创面敷料

时间：2022-05-10 来源：浏览：

河北工业大学夏丹团队 CEJ：3D纳米纤维海绵 - 全新组织可再生创面敷料

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#3D纳米纤维海绵 1 个

#创面敷料 1 个

#Ag-MOFs 1 个

#伤口愈合 3 个

#姜黄素 1 个

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近期，河北工业大学夏丹副教授团队在三维（ 3D ）纳米纤维海绵上原位生长银基金属有机框架（ Ag-MOFs ），在有效杀菌方面取得新进展。并通过加载姜黄素（ CUR ）达到快速伤口愈合的目的。制备的 3D 纳米纤维海绵敷料有望成为传统创面敷料的理想替代品。相关成果以标题 “ Three-dimensional layered nanofiber sponge with in situ grown silver-metal organic framework for enhancing wound healing ” 发表在《 Chemical Engineering Journal 》 期刊上。河北工业大学材料科学与工程学院研究生陈佳甜为论文第一作者。河北工业大学材料科学与工程学院夏丹副教授，山东大学化学与化工学院杨传旭教授为论文共同通讯作者。

背景

严重的皮肤组织缺损会导致身体机能的下降甚至死亡，医用敷料在覆盖缺损皮肤组织的同时可为伤口愈合提供合适的微环境，保护皮肤免受更大的损伤。高分子生物敷料具有良好的生物相容性和可降解性，显示出作为伤口敷料的巨大潜力。开发高性能的新型复合生物敷料是当今皮肤组织工程的研究热点。静电纺丝纳米纤维敷料高的比表面积和孔隙率可有效吸收伤口渗出液以及控制药物的释放，在伤口愈合过程中发挥着重要的作用。与二维（ 2D ）纳米纤维结构相比， 3D 纳米纤维结构具有更高的吸水性、孔隙率和透气性，为细胞的增殖、粘附和迁移提供了更大的第三轴，在伤口愈合治疗中显示出良好的潜在应用前景。

研究的问题

本研究通过静电纺丝技术制备聚己内酯 / 明胶（ PCL/GEL ） 2D 纳米纤维膜，通过气体发泡技术将 2D 纳米纤维膜拓展成 3D 纳米纤维海绵，之后在 3D 纳米纤维海绵上原位生长银基金属有机框架（ Ag-MOFs ），得到 3D-AgMOF ，最后将姜黄素（ CUR ）负载在原位生长有 Ag-MOFs 的 3D 纳米纤维海绵上，得到 3D-AgMOF-CUR 。其中静电纺丝的 3D 结构具有更高的孔隙率、吸水性、透气性和止血能力。 Ag-MOFs 的原位生长赋予 3D 纳米纤维海绵强大的抗菌能力且 CUR 具有抗炎和抗氧化的作用，二者协同作用促进伤口的愈合进程，制备路线如图 1 所示。

图 1 3D 纤维海绵的制备路线

图 2 （ a ）纳米纤维膜膨胀前后的形态变化；（ b-d ）不同浓度 NaBH ₄ 发泡不同时间后 3D 纳米纤维海绵的厚度、孔隙率和吸水率；（ e ） 2D 纳米纤维膜；（ f ） 3D 纳米纤维海绵；（ g ） 3D-Ag _MOF 纳米纤维海绵；（ h-j ） 3D-Ag _MOF 样品中 C 、 O 、 Ag 元素的分布。

3D 纳米纤维海绵具有更高的比表面积、孔隙率和吸水性。 3D 纳米纤维海绵的层状结构和高孔隙率为 Ag-MOFs 的原位生长创造了良好的条件。如图 2 所示， Ag-MOFs 在 3D 纳米纤维海绵上成功附着，且分布较为均匀。在原位生长 Ag-MOFs 的过程中， 3D 纳米纤维海绵的纤维结构没有被破坏，且 Ag-MOFs 的生长对纳米纤维的尺寸影响不大。 EDS 结果表明 Ag-MOFs 成功在纳米纤维海绵中原位生长。

图 3 （ a, b ）纳米材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌（ 10 ⁶ CFU/mL 菌液）的抑菌效果；（ c, d ）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈；（ e ）共培养后的菌液稀释 1 × 10 ⁴ 倍的大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的图像；（ f ）大肠杆菌菌落计数统计；（ g ）金黄色葡萄球菌计数统计。

通过金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的体外抑菌实验，包括抑菌圈、 CCK-8 实验和共培养实验（图 3 ），证明 3D 纳米纤维海绵上原位生长 Ag-MOFs 后具有强大的抑菌效果，抑菌率可达 99% ，负载姜黄素后抑菌效果不会减弱。

图 4 （ a ）凝血图像；（ b ）不同样本血凝块中的 Hc ；（ c ）不同样品的 AC _B ; （ d ）血小板和纤维表面之间的相互作用。

凝血实验表明 Ctrl 组凝血效果较差， 2 D 纳米纤维膜具有一定的凝血效果， 3D 、 3D-Ag _MOF 和 3D- Ag _MOF -CUR 样品远高于 Ctrl 和 2D 纤维膜，说明 3D 纳米纤维结构显著增强了创面敷料的止血能力。此外， Ag-MOFs 原位生长并没有降低 3D 纤维海绵的凝血能力，而将 CUR 加载到 3D-Ag _MOF 纳米纤维海绵上可显著增强 3D 纳米纤维海绵的凝血能力。

图 5 伤口感染模型对伤口愈合的评价。（ a ）纳米材料对金黄色葡萄球菌感染创面的抗菌作用（创面渗出液稀释 1 × 10 ⁴ 倍） ; （ b ）稀释 1 × 10 ⁴ 倍金黄色葡萄球菌菌落计数统计 ; （ c ）观察 0 、 3 、 6 、 9 、 12 、 15 天后 Ctrl 、 2D 、 3D 、 3D-Ag _MOF 、 3D- Ag _MOF - CUR 覆盖创面图像 ; （ d ）伤口愈合痕迹的图形表示 ; （ e ）感染伤口的伤口大小统计。

本研究通过建立伤口感染模型来评价敷料的抗菌活性和创面愈合能力。伤口感染结果显示， Ctrl 组、 2D 组和 3D 组的细菌增殖显著，无明显的抑菌效果。而 3D-Ag _MOF 和 3D-Ag _MOF - CUR 的菌落数较少，均表现出较强的抗菌性能，抗菌率均达到 99% 以上。为评估敷料在伤口感染情况下的有效性，对伤口愈合进行了 15 天的监测。在体内感染创面模型中，伤口愈合第 12 天， 3D-Ag _MOF -CUR 创面完全愈合， 3D-Ag _MOF 接近完全愈合。第 15 天时， 3D-Ag _MOF 治疗组与对照组、 2D 和 3D 治疗组比较，创面愈合，无大面积瘢痕和表皮组织缺损。更重要的是， 3D-Ag _MOF -CUR 创面愈合后疤痕少，表皮组织更光滑。此外， 3D-Ag _MOF 和 3D-Ag _MOF -CUR 组炎性细胞较少，胶原沉积较多。 3D-Ag _MOF -CUR 组较 3D-Ag _MOF 组血管生成更多，胶原纤维排列更均匀、更密集。

结语

研究创新型 3D 纳米纤维海绵敷料，可为感染性全层伤口的快速愈合提供一种崭新、简单且方便的方法。本论文对伤口敷料的架构设计问题进行了思考，并提出了更好地设计生物功能型敷料的方案，针对皮肤缺损的恢复问题，设计了具有广泛应用潜力的生物组织工程支架，具有重大的科研意义与使用价值。然而，对于临床应用方面，还需要在伤口快速愈合，并且在伤口愈合后减少甚至消除疤痕方向做更深层次的研究，并且在患者群体中获得广泛的有效性。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136234

作者简介

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夏丹，河北工业大学副教授、博士生导师，河北工业大学元光学者，天津市 1 31 第三层次人才， 2015 年于丹麦奥胡斯大学获博士学位，并在课题组从事博士后工作，同年入职河北工业大学材料科学与工程学院。课题组主要从事新型纳米材料的合成及其药物递送，静电纺丝纳米支架的构建及其在伤口修复上的应用，先进原子力显微镜在生物学上的应用等研究，已在 ACS NANO, Chemical Engineering Journal , Biomaterials, Small, ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊发表 50 余篇论文，获省部级奖励 3 项，主持国家及省部级项目 5 项。

杨传旭 ，山东大学教授，山东省青年泰山学者， 2 014 年于丹麦奥胡斯大学获博士学位，并于奥胡斯大学从事博士后和助理教授工作， 2 019 年入职山东大学化学与化工学院。课题组主要从事生物纳米材料的研究，包括研发新型核酸靶向药物载体与制剂，应用于基因治疗及再生医学，以及开发新型的纳米探针和生物传感技术，用于癌症、炎症等疾病的分析和诊断。已在 Molecular Therapy, ACS NANO, Chemical Engineering Journal, Acta Biomaterialia, ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊发表 40 余篇论文。

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