南工大陈苏教授/福建农林大庞杰教授ACS AMI：静电纺丝技术制备高性能人造皮肤

皮肤作为人类外在的保护屏障，在保护身体免受疾病和意外伤害方面发挥着重要作用。然而，外部因素，如感染和炎症，对皮肤造成严重的组织损伤，进而导致持续的慢性创伤。所以皮肤损伤一直是一个医疗挑战。快速的伤口愈合以及创建细胞增殖的软环境对于避免进一步的并发症和慢性感染至关重要。研制加速伤口愈合的人造皮肤一直是组织工程的前沿课题之一。目前人造皮肤的研究主要集中在多种材料的优势组合来实现功能上的互补，所以开发多功能的人造皮肤（抗菌、高愈合率、细胞相容性以及增强机械性能）成为一个研究的热点。

基于此，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授与福建农林大学庞杰教授合作，利用静电纺丝技术（设备由南京捷纳思新材料有限公司与南京贝耳时代科技有限公司联合研制）制备了一种无机/有机复合的高性能人造皮肤。首先，在微流控芯片的作用下，将生物活性玻璃(Bioactive glass)和沸石咪唑骨架 (ZIF-8)原位分散到PCL/PVA基质的人造皮肤中。在制备过程中，带负电荷的BG和带正电荷ZIF-8通过静电吸引自发地排列在纳米纤维表面上，形成类似于葫芦串的纤维结构。纤维膜和ZIF-8的高比表面积和高孔隙率有利于细胞的增殖、粘附和迁移。受益于BG中钙、硅离子的缓慢释放，人造皮肤表现出促进生长因子和皮肤再生。与此同时，BG提高了人造皮肤的亲水性，为细胞粘附增殖提供了理想的微环境。此外，ZIF-8释放适量的活性锌离子，为人造皮肤提供了高效的抗菌性能。静电纺丝和微流控芯片进行耦合，可充分发挥BG与ZIF-8之间的协同效应，从而使得人造皮肤的机械强度，抗菌性和愈合率大幅度提高。PCL/PVA@BG/ZIF-8人造皮肤具有较高的拉伸强度(26MPa)和抗菌性能(对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别达到89.64% 和78.8% )。更重要的是，PCL/PVA@BG/ZIF-8(1 wt%)组的伤口收缩率为95%，12天内的肉芽生长厚度为2.2 mm，均优于未负载BG/ZIF-8的人造皮肤。因此，多材料优势组合实现功能互补的方法为人造皮肤的进一步设计提供了有效途径。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《ACS Applied Materials & Interfaces》上（题目：Versatile Bioactive Glass/Zeolitic Imidazolate Framework-8-Based Skin Scaffolds toward High-Performance Wound Healing）。南京工业大学硕士研究生侯永春和福建农林大学徐晓薇为共同第一作者。南京工业大学陈苏教授、刘畅博士后与福建农林大学庞杰教授为共同通讯人。该课题得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发发展计划、江苏省高等学校重点学科建设项目、江苏省自然科学基金等基金的资助和支持。

图1. (a) BG和ZIF-8的合成图。(b) 合成葫芦串纳米纤维示意图。(c) 皮肤支架促进创面愈合的机制图。

图2. (a) ZIF-8、(b) BG、(c) BG/ZIF-8的SEM图像。(d) ZIF-8的XRD图谱。(e) BG和SiO2的红外光谱。(f) BG、ZIF-8和BG/ZIF-8的Zeta电位。(g) PCL，(h) PCL/PVA，(i) PCL/PVA@BG/ZIF-8(3wt%)、(j) 葫芦串纳米纤维的SEM图像。(k) PCL/PVA@BG/ZIF-8(3wt%)纳米纤维的SEM图像，以及 PCL/PVA@BG/ZIF-8(3wt%)中 Zn，Ca和Si元素离子的EDS图像。

图3. (a) 不同类型复合皮肤支架的孔径。(b) 氮气气通量。(c) 水蒸气透过率。(d-f) 不同类型复合皮肤支架在0.2 mm/s拉伸速率下的应力-应变曲线。(g) 不同类型复合皮肤支架的溶胀行为。(h) 不同类型复合皮肤支架的接触角。(i) 不同类型复合皮肤支架在50℃和55%湿度下的生物降解速率。

图4. (a) 不同类型复合皮肤支架对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长抑制图。(b，c) 不同类型复合皮肤支架的抗菌率图。数据采用单因素方差分析。* * * P < 0.001。(d) 不同类型复合皮肤支架对 L929成纤维细胞荧光染色的激光扫描图像。比例尺为80微米。

图5. (a) 四组糖尿病小鼠(对照，PCL/PVA，PCL/PVA@BG/ZIF-8(1 wt%)和 PCL/PVA@BG/ZIF-8(3 wt%)在术后0，1，3，6，9和12天后伤口收缩图。(b) 每组的伤口闭合痕迹图。(c) 四组肉芽厚度的定量分析。分析采用H&E染色。(d) 术后第0、1、3、6、9、12天各组伤口收缩率的统计学分析。(e) 肉芽组织厚度的统计学分析。数据显示为平均值± SD。数据采用单因素方差分析。与对照组相比* * P < 0.01。

图6. (a) 荧光染色的巨噬细胞(蓝色)和血管(红色)的共聚焦激光扫描图像。绿色荧光是 PCL/PVA 纳米纤维膜。(b) Masson 染色图像显示伤口肉芽组织胶原分布。

图7. 微流体静电纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司与南京贝耳时代科技有限公司联合研制）

微流体静电纺丝机：

● 以微流控芯片为核心，克服传统物理过程纺丝的缺陷，实现形貌精准调控；

● 在微通道内实现多层次结构设计，实现微尺度下结构调控；

● 在微米或亚毫米受限空间内实现纺丝化学过程，可实现原位合成纳米材料。

图8 微流控纺丝：结构调控与纺丝化学

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