静电纺伤口敷料的研究进展

李长恩，张兴群,2，张现歌，王先柱，王 颖

(1.新疆大学 纺织与服装学院，新疆 乌鲁木齐 830017； 2.东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620)

皮肤是保护人体的首道屏障，不仅能抵御病原微生物、有害化学物质的入侵，还可以维持体温、保持体液，因此，完整健康的皮肤对人体的生理健康至关重要[1-2]。刀伤、烧伤等造成的局部皮肤组织破损，会使皮肤失去其原有的功能，还会因有害微生物的入侵引发感染而延迟伤口愈合，甚至影响患者的生活质量。当皮肤破损后，为了快速止血并加速伤口愈合，伤口敷料应运而生。目前，传统的伤口敷料如纱布、纱条、棉垫等属于干性敷料，能起到临时覆盖创面，保护伤口的作用，但这类敷料只是简单地隔离外部环境，在一定程度上减少有害微生物入侵并少量吸收伤口渗出[3-4]；此外，这类敷料的止血效果不佳，无法控制伤口微环境的湿度，且易造成与伤口处的黏连，在去除敷料时易产生二次损伤，长期使用的过程中难以预防和抑制病原微生物的入侵，增加了伤口感染的风险[5]。

随着生活水平的提高，传统敷料已不能满足人们对伤口管理的需求，因此，利用各种新技术和材料制备理想型伤口敷料已成为新的研究热点。1962年，Winter提出了“湿性愈合”理论，即湿润的伤口微环境可以加速伤口愈合，并由此开启了新型医用敷料的研究热潮[6]。

静电纺丝技术是一种独特的纺丝技术[7]，被广泛应用于生物医药[8-9]、能源[10-11]、食品包装[12-13]、过滤材料[14]等领域。在生物医用材料领域，利用静电纺丝技术制备的纳米纤维可实现药物的大量负载与缓释，并且在制备过程中高电压不会影响药物的活性，同时还可以根据不同伤口的需求，选择合适的材料作为药物载体以实现功能的叠加。

目前，利用静电纺丝技术制备新型伤口敷料正处于快速发展阶段，但受到纺丝原材料、纺丝工艺、纺丝环境等因素的影响，尚未实现大批量生产。本文从原料入手综述了静电纺伤口敷料的研究进展，归纳分析了用不同聚合物及添加物制备伤口敷料的性能特点，最后，对静电纺伤口敷料存在的不足进行了分析，为静电纺为伤口敷料的功能性开发和应用提供参考。

1 静电纺伤口敷料的优势

静电纺纳米纤维膜多孔结构能够模仿天然组织细胞外基质(ECM)，利于上皮细胞的黏附、增殖、迁移和分化[15]，同时较高的比表面积，能有效吸收创面的渗出液并止血，且有利于药物的负载与释放，为纳米纤维的多功能化提供了可能[16]。此外，静电纺纳米纤维膜的随机网状排列方式和高达60%～90%的孔隙率[17]，既有利于细胞呼吸，防止过多的水分流失，保持创面湿性环境，还能阻挡外界微生物入侵并防止创面中的肉芽组织长入敷料中[18]。

2 不同原料的静电纺伤口敷料

因敷料需要直接接触伤口，在制备敷料时，除满足伤口愈合的基本需求外还需考虑安全、无毒等特性，因此选择最适合的材料用于生产静电纺纳米纤维至关重要。根据原料来源的不同，常用的静电纺伤口敷料可以分为：天然聚合物、合成聚合物、复合材料[19]，以及含有功能添加剂的静电纺丝材料。这些原料可以通过不同的途径加速伤口愈合，因此，可根据伤口的需求选择合适的原料制备静电纺纳米纤维敷料。

2.1 天然聚合物静电纺伤口敷料

天然聚合物广泛分布于自然界中，来源丰富，具有良好的生物相容性、低细胞毒性、生物降解性，且降解产物对人体和环境友好。此外，天然聚合物本身具有类似于ECM的结构，在创伤修复过程中还可以参与生物分子间的相互作用，进而促进组织修复和伤口愈合[20]。根据组成成分的不同，用于伤口敷料的天然聚合物可分为多糖类天然聚合物如海藻酸钠(SA)、壳聚糖(CS)、纤维素、透明质酸(HA)等，以及蛋白质类天然聚合物如明胶(GT)、胶原蛋白(Col)、丝素蛋白(SF)等[21-24]。这些基于多糖和蛋白质的天然聚合物已被证明可以用于制备静电纺伤口敷料。然而多糖、蛋白质成分、结构复杂，理化特性易受到外界的影响，其中一些还会因较高分子量而表现出高黏度，很难通过静电纺丝的方式制备出光滑均匀的纤维结构，同时较差的力学性能也限制了它们单独作为制备伤口敷料原料的应用。常用天然聚合物材料的优缺点总结见表1。

表1 天然聚合物伤口敷料的优缺点

此外，为了进一步提高天然聚合物的可纺性并增强静电纺伤口敷料的功能，研究人员通常会利用2种或2种以上的天然聚合物材料制备静电纺丝敷料。Jafari等[33]利用静电纺丝技术制备了CS/GT复合纳米纤维膜。研究结果显示，随着GT含量的增加，CS/GT溶液的黏度不断下降，混合纺丝液的可纺性逐渐提高。当CS与GT的体积比为30∶70时，所制备的纳米纤维形态最好，纤维的平均直径为(180 ± 20) nm。体外生物相容性实验结果显示，与单一纺丝液制备的纳米纤维膜相比，CS/GT复合纳米纤维膜表面有大量的人皮肤成纤维细胞附着，表明CS/GT复合纳米纤维支架更有利于细胞的生长和附着，具有促进伤口愈合的潜力。

2.2 合成聚合物静电纺伤口敷料

相对于天然材料，合成聚合物具有优异的溶解性且性能可控，便于加工，使得这类聚合物更适用于静电纺丝[34]。根据亲、疏水性能，目前常用的静电纺丝合成聚合物可分为亲水聚合物和疏水聚合物。亲水聚合物主要包括聚乙烯醇(PVA)[35]、聚氧乙烯(PEO)[36]等，疏水聚合物主要有聚己内酯(PCL)[37]、聚乳酸(PLA)[38]、聚氨酯(PU)[39]等。

PVA具有良好的可纺性，能高度溶解在水中，与其他具有乙烯基的聚合物相比，PVA是由聚醋酸乙烯在碱性条件下醇解得到的产物，是一种可降解的合成生物聚合物材料，已被广泛地用于制备静电纺伤口敷料[40-41]，但是利用PVA制备的纳米纤维热稳定性差、强度欠佳，限制了其作为原料单独制备伤口敷料，因此研究人员通常将PVA与其他聚合物材料混合后利用静电纺丝技术制备伤口敷料[42-43]。PEO一种是由环氧乙烷开环聚合得到的热塑性聚合物，因其易制备且具有良好的亲水性、无毒等优点，常用于制备伤口敷料[44]，此外，PEO常和其他聚合物共混改性以提高敷料的综合性能[45]。疏水性聚合物PCL和PLA均为聚酯类聚合物，具有良好的生物相容性和降解性能，可在人体内最终降解生成二氧化碳和水排出体外，因此常被作为可植入医用材料。然而利用PCL和PLA作为原料制备的静电纺纳米纤维膜具有较高的疏水性，缺乏细胞结合位点，限制了其在伤口敷料中的应用[46-47]。研究人员在制备PCL、PLA静电纺纳米纤维膜时常加入亲水性聚合物，以提高其亲水性能。PU是一种由多异氰酸酯和二羟基化合物聚合得到的聚氨酯材料，具有较强的透湿性和弹性。与其他合成聚合物相比，用PU制备的纳米纤维具有与天然组织相当的力学性能，因此被广泛应用于生物医用材料领域[48]。

2.3 复合材料类静电纺伤口敷料

仅用单一原料制备的静电纺伤口敷料难以满足伤口护理的需求，为了增强这类敷料的功能，研究人员多采用天然聚合物与合成聚合物相结合的方式制备静电纺丝医用敷料，以期为加速伤口愈合提供更好的微环境。

陈思源等[49]以PCL与GT的含量比为原料，六氟异丙醇作为最佳溶剂，制备了不同比例的PCL/GT共混纳米纤维，并对其性能进行了表征。拉伸性能检测结果显示，随着GT含量的增加，PCL/GT纳米纤维膜的最大应力和断裂伸长率都有所下降，但当m(PCL)∶m(GT)为8∶2时，复合纳米纤维膜与PCL膜的力学性能相近，PCL/GT纳米纤维膜的断裂应力与断裂伸长率分别为(7.8 ± 0.8) MPa和(863 ± 124)%。此外，该配比条件下制备的PCL/GT纳米纤维膜还具有最佳的降解速率。水接触角结果显示，PCL/GT纳米纤维膜的亲水性与GT含量呈正相关。GT 的加入，在保持PCL力学性能的情况下增强了其亲水性和降解速率，有望应用于伤口敷料领域。

Spasova等[50]以二氯甲烷为溶剂，分别制备了质量分数为7%的聚丙交酯(PLLA)和聚丙交酯/聚乙二醇(PLLA/PEG)静电纺纳米纤维膜，并将2种纳米纤维膜浸渍在质量分数0.05% CS溶液中，30 min后用戊二醛蒸气交联，得到了包覆有CS涂层的纳米纤维膜。通过荧光显微镜和电子显微镜观察发现CS涂层成功附着于纳米纤维膜上。血液接触实验结果显示，与对照组相比，CS涂层纳米纤维膜能够有效吸附红细胞和血小板，具有较好的止血活性。金黄色葡萄球菌黏附实验结果表明，相对于PLLA纳米纤维膜(≥200个/(100 μm2))和PLLA/PEG纳米纤维膜(≥26个/(100 μm2))，涂覆有CS的PLLA和PLLA/PEG纳米纤维膜能显著抑制细菌黏附(均为5个/(100 μm2))。CS的加入赋予了PLLA和PLLA/PEG纳米纤维膜优异的止血、抗菌活性，使得它们更有利于伤口愈合。

Trinca等[51]通过连续静电纺丝成功制备了双层纳米纤维膜以模拟人体皮肤结构，制备过程如图1所示。双层膜的外层分别由PCL或聚己内酯/醋酸纤维(PCL/CA)组成，内层由CS/PEO组成。力学性能测试结果显示，PCL + CS/PEO双层膜的拉伸强度、弹性模量分别为(1.47 ± 0.09) MPa、(10.2 ± 1.4) GPa，断裂伸长率大于500%，加入CA之后PCL/CA + CS/PEO膜的拉伸强度和弹性模量都有所提高，分别为(1.77 ± 0.14) MPa，(15.1 ± 1.1) GPa，断裂伸长率减小至(433±58)%，能够满足正常皮肤的力学性能需求。溶胀性实验结果表明，双层PCL + CS/PEO和PCL/CA + CS/PEO膜的膨胀率分别为310%和370%，并且溶胀并没有对膜的力学性能或结构产生显著的影响。水接触角实验表明，外层PCL和PCL/CA为疏水表面，其接触角大小分别为109°和113°，CS/PEO层则表现出较好的亲水性，接触角在34.8°～37.4°之间。细胞毒性实验结果表明，24 h时双层膜对小鼠成纤维细胞的细胞活力均保持在84%以上，无明显细胞毒性。综上，PCL或PCL/CA和CS/PEO组成的静电纺丝双层纳米纤维膜具有开发用作伤口敷料的潜力。

图1 双层膜纳米纤维膜制备过程Fig.1 Preparation process of double-layer nanofiber membrane

Rashedi等[52]以PLA作为核层、GT作为壳层，利用同轴静电纺丝技术制备了具有核-壳结构的PLA-GT复合纳米纤维。透射电镜观察结果显示，纳米纤维形成了明显的核-壳结构，且PLA-GT的核-壳结构增加了纳米纤维的直径(347±88) nm。在力学性能方面，与GT纳米纤维相比，PLA-GT纳米纤维具有更好的力学性能，其强力、伸长率、模量分别为(1.62 ± 0.13) MPa、(9.17 ± 1.03)%、(0.70 ± 0.16) MPa，这表明在GT纳米纤维中嵌入PLA可以提升复合膜的力学性能。体外降解实验结果显示，PLA-GT核壳纳米纤维具有很好的稳定性，在磷酸盐缓冲液(PBS)中浸泡11天之后，纳米纤维膜仍能保持纤维的形态结构。PLA-GT核壳结构纳米纤维，改善了GT纤维的力学性能、高水溶性等缺点，在伤口愈合、药物缓释等生物医用材料领域具有很大的潜力。

2.4 含功能添加剂的静电纺伤口敷料

虽然天然聚合物和合成聚合物具有众多优良的性能，但其促进伤口愈合的能力有限。为进一步增强纳米纤维膜的功能，研究人员在利用静电纺制备纳米纤维膜时会添加抗菌剂、生长因子以及天然提取物等功能性物质，以加速伤口愈合。

2.4.1 抗菌剂

伤口感染是延迟伤口愈合的主要因素，为了降低伤口感染，在制备静电纺伤口敷料时添加抗菌剂可以提高纳米纤维膜的抗菌能力从而加速伤口愈合。

抗生素因其良好的抗菌性能成为制备抗菌型静电纺伤口敷料的首选。桑青青等[53]通过静电纺丝制备了载有环丙沙星(CPF)的聚乳酸己内醋 (PLCL)纳米纤维膜。CPF的加入不仅降低了纳米纤维的直径还增强了纳米纤维的亲水性能，使其水接触角由未添加CPF时的134.1°降低至接近0°，增强了吸附细胞的能力。药物释放结果表明，CPF在 PBS缓冲溶液中前期呈现爆发性释放(10 h 释放60%)，随后缓慢持续释放，至35 h纳米纤维膜的CPF总释放量达88%。抑菌实验结果表明，载药纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球均具有良好的抗菌效果。此外，研究人员还使用四环素、氧氟沙星等抗生素作为静电纺纳米纤维的抗菌剂，这些纳米纤维膜均具有良好的抗菌效果。

为避免大量使用抗生素而导致耐药现象的发生，研究人员尝试使用纳米银等金属及金属氧化物代替抗生素制备静电纺纳米纤维抗菌敷料。徐海涛等[54]通过静电纺丝工艺制备了负载银离子的SA/PVA复合纳米纤维膜，并对其作为医用敷料的性能进行了测试。结果显示，载银复合纳米纤维膜在干湿状态下均具有良好的力学性能，且吸收液体后膜的结构保持完整，易于更换敷料，可减少伤口处的异物残留。此外，复合纳米纤维膜对大肠杆菌的抑菌率可达99.98%，表现出优异的抗菌性能。

2.4.2 生长因子

生长因子是组织代谢所必须的小分子活性物质，在调节伤口愈合的过程中起着重要作用。当创伤发生后，大量的生长因子从血小板等细胞中释放出来，介导细胞反应，从而促进伤口的止血与修复[55]，因此，在制备静电纺伤口敷料时，生长因子可以作为活性物质添加到纺丝体系中，增强伤口敷料促进伤口愈合的功能。

Itxaso等[56]将重组人表皮生长因子(rhEGF)、芦荟提取物(AV)与PLGA共混后静电纺丝，制备了PLGA/AV/EGF纳米纤维膜。与对照组相比，rhEGF、AV的添加降低了纳米纤维的直径，增加了纳米纤维的孔隙率、吸水量和水蒸气透过率。体外实验结果显示，负载AV的纳米纤维膜不仅可以抑制金黄色葡萄球菌的生长，还具有促进小鼠胚胎成纤维细胞增殖的作用。体内创面愈合实验结果显示，与对照组相比，在创伤后第8天，PLGA/AV/EGF纳米纤维膜能够显著降低小鼠的伤口面积。PLGA/AV/EGF纳米纤维膜中的rhEGF提供了伤口愈合的介质，芦荟提取物可以刺激纤维细胞增值，这种组合显著加速了伤口闭合和再上皮化过程，在慢性伤口治疗领域具有潜在的应用价值。

2.4.3 天然提取物

大量研究显示，动植物提取物作为天然活性物质，具有抑菌、消炎、抗氧化、调节免疫等功效，有利于伤口的治疗，因此，制备含有动植物提取物的静电纺伤口敷料成为近年来的研究热点。

因蜂蜜具有抗菌、抗氧化等特性，自古以来就有将蜂蜜涂抹在伤口处，加速伤口愈合的记载。Tang等[57]在SA/PVA 纺丝液中加入不同比例的蜂蜜(体积分数分别为5%、10%、15%、20%)制备出的纳米纤维膜表面光滑、具有均匀三维结构，且随着蜂蜜浓度的增加，纤维直径由(379 ± 65) nm增加至(528 ± 160) nm，纳米纤维膜的降解性得到改善，吸水能力下降。抗氧化和抗菌实验结果表明，制备的纳米纤维膜不仅能清除自由基，减少伤口的氧化应激反应，还能抑制细菌生长，且对革兰氏阳性菌的抑制作用优于革兰氏阴性菌。此外，MTT结果表明，蜂蜜/SA/PVA纳米膜还具有良好的生物相容性，有望广泛应用于创伤伤口敷料。

黄连是一种药用植物，其提取物不仅具有抗菌作用，还具有抗氧化和抗炎特性。Jin等[58]以PVA为载体，利用静电纺丝技术制备了含有不同量黄连根茎提取物(质量分数分别为10%、20%、30%)的纳米纤维膜。随着黄连提取物含量的增加，纤维直径不断增加。利用电子显微镜观察发现复合膜具有多孔结构，有利于伤口处的气体交换、保持潮湿环境。释药性和抗菌性能研究结果显示，载有质量分数分别为10%、20%、30%黄连根茎提取物的纳米纤维膜的载药率高达92%～97%，且在48 h内药物释放量分别为66%、91%和74%，复合纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌具有较高的抑菌活性，可开发成一款具有抗菌性能的伤口敷料。

3 结束语

静电纺丝技术由于操作简单，产品可模拟天然ECM结构，成为制备伤口敷料最具吸引力的技术之一。本文从基质聚合物出发，总结了用于制备静电纺伤口敷料的天然聚合物与合成聚合物的特点，天然聚合物具有较高的生物相容性，能够促进伤口处的细胞增值，合成聚合物具有较高的强度，能为伤口提供物理支撑，天然—合成聚合物制备复合纳米纤维膜能更好地支持伤口愈合和皮肤再生。此外，本文还总结了抗菌剂、生长因子、天然提取物等几种常用的功能添加剂，以实现静电纺伤口敷料在抑制微生物感染、促进组织再生、加快伤口愈合等功能的叠加。添加活性物质实现静电纺复合纳米纤维的多功能化将是未来伤口敷料领域重点研究方向。

虽然目前制备的静电纺伤口敷料可以满足多种伤口的愈合需求，但是在应用方面仍然面临诸多挑战。首先，静电纺丝生产效率较低，要不断优化纺丝条件以适应各种材料的生产，保证不同批次间生产的纳米纤维力学性能一致。此外，在纳米纤维中加入功能添加剂时，需要克服药物的爆发性释放和低释放性能，同时减少纳米纤维中有机溶剂的残留，向着绿色溶剂甚至无溶剂静电纺伤口敷料方向发展，以此提升静电纺伤口敷料的产业应用。