皮肤烧伤创面在日常生活中广泛而频繁地发生，可导致创面面积大、愈合时间长、严重瘢痕等严重损伤。特别是，烧伤创面对细菌感染非常敏感。因此，具有抗菌性能的伤口敷料的需求量很大。开发基于聚合物的水凝胶敷料，防止细菌感染，加速烧伤创面愈合，一直是人们的期望。封装抗菌药物的强力学性能水凝胶越来越受到关注。

因此，2022年上海医疗器械展会Medtec China今年移师苏州， 了解到来自青岛科技大学的郭传龙和吴晓晨团队通过一锅法制备了芳纶纳米纤维(ANFs)增强大黄酸纤维水凝胶(ANFs/ rhein)，作为一种可能治疗金黄色葡萄球菌感染烧伤创面的方法。ANFs保留了凯夫拉纤维高度对齐的骨架和力学性能，并与抗菌药物大黄酸结合产生了一种复合水凝胶，具有良好的物理化学性能，包括适当的机械强度、高保水能力、令人满意的抗菌效率和良好的生物相容性；作为创面敷料，ANFs/Rhein水凝胶为创面部位提供了一个湿润的环境，并不断释放抗菌药物，通过有效抑制细菌感染、减少炎症、增强胶原沉积、促进血管形成，提高创面愈合率，从而为细菌相关烧伤创面愈合提供了一种潜在的治疗策略。相关论文“Aramid Nanofibers-Reinforced Rhein Fibrous Hydrogels as Antibacterial and Anti-Inflammatory Burn Wound Dressings”于2022年9月19日发表于杂志《ACS Applied Materials &Interfaces》上。

本研究采用天然植物活性成分大黄酸作为敷料的活性成分，因其具有良好的抗菌和抗炎效果。如图1所示，芳纶纳米纤维(ANF)被用作大黄酸的骨架支撑。ANF分散体将通过一个简单的HCl挥发过程制成水凝胶，在此过程中，HCl与KOH反应，并通过从H2O中抓住质子逐渐中和排列好的聚对苯二甲酰胺链(图1)。另一方面，大黄酸还可以在碱性和低温条件下通过非共价相互作用(如π−π堆积和氢键)自组装成水凝胶。在此基础上，采用一锅法，将大黄酸溶解在KOH水溶液中，与分散DMSO的ANFs混合，挥发HCl，在H2O中洗涤，即可形成ANFs/大黄酸复合水凝胶。

图1 ANF水凝胶，大黄酸水凝胶和ANF /大黄酸水凝胶的合成路线示意图
在水凝胶形成后，ANFs/大黄酸显示出从深红到黄色的颜色变化，这是大黄酸的初始颜色(图2A，B)。为了探索复合水凝胶的性能，成功地制备了不同药物浓度(大黄酸质量分数分别为3.2、6.2、14.3、18.9wt%)的ANFs/大黄酸水凝胶。随着大黄酸浓度的增加，ANFs/大黄酸水凝胶的黄色加深，这清楚地表明了大黄酸的包埋(图2B)。图2C−E显示了ANFs/大黄酸复合水凝胶的机械强度。ANFs/大黄酸水凝胶可以用剪刀剪成各种形状(图2D)，折叠和扭曲而不断裂(图2C，E)，用作伤口敷料时能够抵抗外力。扫描电子显微镜分析表明，所有的水凝胶都呈现出相互连接的多孔纳米结构，而不同大黄酸含量的ANFs/大黄酸复合水凝胶呈现出与单独的ANF水凝胶没有显著差异的纳米纤维结构(图2F−I)。

2022年上海医疗器械展会Medtec China现场还有更多专注于高端医用敷料的专家、企业负责人，来现场一起探讨认知行业技术发展的前沿，投入资金建立研究体系，开发与市场需求贴合的新型技术和优质产品。

图2 ANFs/大黄酸水凝胶的表征，大黄酸浓度增加：可裁剪、SEM
ANFs/大黄酸复合材料的FTIR谱图既没有出现峰的移动，也没有出现新的峰，表明在水凝胶形成后，ANF和大黄酸的分子结构保持不变(图3A)。ANFs/大黄酸复合材料具有很低的密度。如图3B所示，冷冻干燥后，ANFs/大黄酸10复合材料的密度仅为~0.013 g/cm3。通过增加大黄酸的含量，ANFs/大黄酸70的密度为~0.022 g/cm3。ANFs/大黄酸水凝胶在冷冻干燥后可以保持其结构完整性(图3B插图)，具有足够的机械强度，可用作伤口敷料。为了进一步说明ANFs/大黄酸水凝胶的机械强度，测试了压应力−应变曲线(图3C)。大黄酸包埋后，随着大黄酸含量的增加，水凝胶的力学性能略有下降。尽管如此，所有的ANFs/大黄酸水凝胶都可以无故障地压缩到>80%的应变，并且所有的压缩强度都可以达到1.3 Mpa。大黄酸的包裹不会破坏ANFs/大黄酸水凝胶的机械强度，具有潜在的实际应用前景。冻干的ANFs/大黄酸复合材料的液体吸收效率在6600 ~ 7900 %之间，而所有ANFs/大黄酸水凝胶的含水量都相对较高，为>99%(图3D,E)，表明其具有良好的保水性能。此外，大黄酸含量对ANFs/大黄酸复合材料的吸液效率和含水率几乎没有影响。在pH 7.4的环境中评价了ANFs/大黄酸水凝胶的体外释药行为(图3F)。

图3 ANFs/大黄酸水凝胶的表征：FTIR、力学性能、吸水率、保水能力、释药行为
作为创面敷料，ANFS/大黄酸水凝胶应具有良好的生物相容性。对ANFs/大黄酸水凝胶在鸡胚之绒毛尿囊膜（CAM）上的刺激性进行了评估(CAM，图4A)。ANFs/大黄酸水凝胶在CAM表面孵育5 min后，CAM未见充血、出血或凝血迹象，而阳性对照(NaOH)可引起严重充血和出血。所有样品，包括ANFs、大黄酸和不同包封量的ANFs/大黄酸水凝胶都没有刺激性，表明它们作为伤口敷料是安全的。为了定量描述刺激性，进行了台盼蓝染色试验(图4B)。结果表明，ANFs/大黄酸水凝胶无刺激性和良好的相容性。此外，还通过体外溶血法评价了ANFs/大黄酸水凝胶的血液相容性(图4C)。ANFs、ANFs/Rhein10、ANFs/Rhein20、ANFS/Rhein50和Rhein的溶血率分别为0.76、0.19、1.05、0.67和2.67%，均低于允许的报告阈值(溶血率< 5%)。 通过MTT法测定ANFs/Rhein水凝胶的细胞毒性，再次证实了ANFs/Rhein水凝胶的生物相容性(图5)。当与HDF细胞一起孵育时，ANFs/Rhein水凝胶几乎没有细胞毒性(图5A)。此外，当与HUVEC细胞孵育72 h时，所有ANFs/大黄酸水凝胶都表现出良好的细胞相容性，并且增加大黄酸的剂量对细胞形态没有不利影响(图5B,C)。ANFs/Rhein水凝胶的高比表面积和多孔纳米结构可能有利于细胞的附着和增殖。总的来说，ANFs/ Rhein水凝胶具有良好的相容性，可能是一种可靠的伤口敷料，促进皮肤伤口修复。 通过计算细菌的抑制区和实时生长曲线，评价ANFs/Rhein水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌活性(图6)。水凝胶的抗菌性能首先通过抑菌区大小进行评估(图6A,B)。单独的ANF水凝胶对金黄色葡萄球菌没有明显的抑制区，而单独的大黄酸则表现出较强的抑制作用。ANFs/Rhein水凝胶保留了大黄酸的抑菌能力，且随着大黄酸包埋量的增加抑菌带的大小增大。细菌的生长曲线也有类似的结果(图6C,D)。该水凝胶对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性菌(大肠杆菌)均有较好的抑制效果，在预防和杀灭伤口细菌方面具有很大的潜力。 在烧伤小鼠模型上评估了ANFs/Rhein水凝胶的体内皮肤修复效果。分别于术后第0、4、8、12、22天记录不同处理后皮肤伤口大小的变化(图7A、B)。此外，在伤口上直接应用ANFs/Rhein水凝胶不会引起明显的毒性，各组小鼠均表现出稳定的体重增长，且无显著差异(图7C)。 2022年上海医疗器械展会Medtec China技术论坛H：新型医用敷料的技术发展与应用论坛，议题涵盖硅凝胶在先进伤口护理中的应用、静电纺丝技术在创伤敷料等组织修复方面的应用、抗菌材料壳聚糖的生物性研究及在医美行业的应用，届时来自迈图、东华大学、上海中科新生命等企业和高校大咖开讲，点击快速预登记 采用H&E和Masson三色染色检查皮肤创面组织形态(图8)。ANFs/Rhein水凝胶处理组再生表皮层比大黄酸和anf处理组更光滑，组织更有序(图8A和9A)，说明再生良好。马松染色显示胶原蛋白水平见图8B和9B。第17天，ANFs/Rhein水凝胶处理组的胶原纤维沉积量明显高于其他各组，证明ANFs/Rhein水凝胶具有促进烧伤创面愈合的能力。

ANFs/Rhein水凝胶的促创面愈合能力可能与其抗菌性能有关。如图9C、D所示，治疗2天后，大黄酸、ANFs和ANFs/Rhein10水凝胶处理组的创面残留金黄色葡萄球菌存活率较高。相比之下，ANFs/Rhein20水凝胶处理组金黄色葡萄球菌的存活水平要低得多。纯大黄酸在创面停留时间短限制了其抗菌效果，而ANFs/Rhein20水凝胶中大黄酸的持续释放对抑制细菌感染具有良好的抗菌效果。新生血管是伤口愈合过程中的另一个主要过程。第22天伤口部位的血管生成如图9E、F所示。ANFs/Rhein20水凝胶处理组创面血管及新生血管分支明显多于其他组，有利于创面愈合。

为了进一步表征ANFs/Rhein水凝胶的生物安全性，实验动物主要器官(如肝脏、肾脏)的主要器官指数和组织形态学分析如图10所示。肝脏和肾脏的组织学切片显示没有明显的毒性，两个器官都没有明显的病理异常或炎症。综上所示，ANFs/Rhein水凝胶能够通过持续的抗菌效果和湿润环境的共同作用促进烧伤创面愈合，从而消除细菌感染，减少炎症反应，促进表皮再生，促进血管生成。

综上，本研究合成了一种用于金黄色葡萄球菌感染创面愈合的生物相容性和抗菌性的ANFs/大黄酸水凝胶，该水凝胶具有纳米纤维三维结构，具有制备简单、机械强度合适、持液量高、抗菌效果好、保持烧伤创面湿润的环境、大黄酸持续释放（显著的抗菌和抗炎活性）和良好的生物相容性(无刺激、无溶血、无细胞毒性)等综合性能，有望作为伤口敷料尤其是治疗烧伤创面敷料使用。

来源：EngineeringForLife