西南大學陸飛副教授在國際知名期刊《Advanced Fiber Materials》上發表最新研究成果:Fiber-Reinforced Silk Microneedle Patches for Improved Tissue Adhesion in Treating Diabetic Wound Infections
Bio-road研發團隊陸飛副教授在材料領域知名期刊《Advanced Fiber Materials》上發表最新研究成果
微針（MN）是一種長度為數十至數千微米的單針或陣列針，連接到基板上形成貼片。微針技術的出現不僅提供了一種新的藥物輸送方式，而且在生物傳感器和醫學診斷與治療領域帶來了許多新的可能性。隨著該技術的深入研究和應用不斷擴大，它逐漸成為生物醫學領域的熱點之一。
其中，水凝膠微針因具有材料選擇靈活、生物相容性優良，可以有效輸送親水性藥物等特點，有望成為實現創面完美修復的理想敷料。但現有的水凝膠微針常利用合成或改性高分子通過交聯制得，工藝流程相對復雜；而天然高分子基水凝膠微針的穿刺力及其與創面的結合力較差，阻礙了其實際應用。因此，針對上述問題，迫切需要開發一種具有濕組織粘附性和較強力學性能的水凝膠微針。
近日，西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院Bio-road生物醫用材料研發團隊在《Advanced Fiber Materials》（影響因子：17.2）上發表了題為“Fiber-Reinforced Silk Microneedle Patches for Improved Tissue Adhesion in Treating Diabetic Wound Infections”的研究成果（DOI: 10.1007/s42765-024-00439-z）。該成果報道了載有表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）的纖維增強粘附微針貼片。通過引入甲酸-氯化鈣二元溶劑體系制備了具有濕組織粘附性的絲素蛋白水凝膠微針，以殼聚糖纖維為增強相提高了微針的機械性能和粘度，從而增加了微針與組織的物理纏結和保持形狀的能力。研究結果表明殼聚糖纖維的引入降低了微針所需的刺入力，且具有優異的抗氧化和抗菌性能，可以有效改善糖尿病傷口的愈合。
在這項研究工作中，作者利用甲酸-氯化鈣溶劑體系溶解絲素蛋白，在溶液中引入載有EGCG的殼聚糖纖維，通過模板澆鑄法，再經甲酸揮發和干燥成型后制得纖維增強的絲素蛋白微針（圖1）。此外，從圖中可以看出微針還可以被塑造成雙面針和三角形等異形微針，更適用于異形傷口的粘附。
圖1 纖維增強微針的制備工藝流程及顯微形貌
通過紅外光譜研究表明經過甲酸-氯化鈣處理后，絲素蛋白分子鏈從規則排列的β-折疊結構轉變為無規卷曲（圖2a-d）。拉曼光譜證實干態絲素蛋白吸水成凝膠后無規卷曲含量進一步增加（圖2e-h），無規卷曲結構的增多使得絲素蛋白大分子間的自由體積及氫鍵作用力減弱，有利于其與皮膚組織表面形成新的相互作用力。接著通過紅外光譜和X射線光電子表面能譜測試表明了EGCG在殼聚糖纖維上的成功負載。流變實驗證實了微針具有較好的自愈合性能。
圖2 微針的結構及流變性能表征
如圖3a-b所示，通過顯微鏡觀察了殼聚糖纖維在PBS中隨時間的形態變化，結果顯示當吸水時間達到10 min時，殼聚糖纖維的直徑已經增長至初始直徑的3倍（64 μm）。還構建了瓊脂糖凝膠模型來實時監測微針的膨脹行為，可以看出殼聚糖纖維的引入提高了微針的溶脹程度。通過有限元模擬了纖維增強對絲素蛋白微針刺入皮膚行為的影響。實驗和數值模擬結果均證實了殼聚糖纖維的引入降低了微針所需的刺入力。從有限元云圖中可以看出絲素微針在刺入皮膚過程中針尖變形明顯，導致微針與皮膚的接觸面積增加，可能會進一步增加與周圍組織的摩擦力，不利于微針刺入。而纖維增強微針在穿破皮膚角質層后仍然保持針體結構完整，說明殼聚糖纖維的引入賦予了絲素蛋白微針較好的機械強度。
圖3 微針的溶脹行為分析及有限元模擬
如圖4所示，纖維增強微針的粘附機理包括兩個方面：一是鈣修飾絲素蛋白固有的物理粘附特性，鈣離子通過金屬螯合作用實現對絲素蛋白無規卷曲鏈的交聯并作為水捕獲點。基于此，初始干態的微針可通過鈣離子從界面處捕獲水分子，從而轉變為更柔軟水凝膠，實現與組織的緊密貼合。二是纖維增強介導的微針溶脹后與組織間的物理糾纏和機械互鎖。微針在插入皮膚組織后可以快速吸收界面水，建立與濕潤組織表面的接觸，并在界面處形成物理相互作用。
圖4 微針的粘附機理
如圖5所示，動物實驗結果表明，與商業敷料相比，SCEMN能夠更有效的改善糖尿病小鼠傷口愈合。病理組織學分析進一步證實，SCEMN處理的傷口再上皮化程度更高、膠原沉積較好。免疫熒光結果顯示，在愈合前期，SCEMN能夠調控M1型巨噬細胞向M2型巨噬細胞的轉化，并調控巨噬細胞相關細胞因子的釋放水平。
圖5 微針的動物實驗驗證及病理學分析
西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院2021級碩士研究生王義鑫為本文第一作者，西南大學陸飛副教授為本文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、重慶市自然科學基金的資助
Bio-road研發團隊一直專注于針對創面止血與促愈用材料、體內溶栓藥物載體的研究，近三年課題組成員共主持包括國防項目，國家自然科學基金，重慶市科技攻關項目，重慶市自然科學基金在內的10余項科研項目。在Advanced Functional Materials、Bioactive Materials、Chemical Engineering Journal等雜志上發表高水平SCI論文50余篇；已申請國家發明專利40項，其中已授權20余項。
本研究成果原文下載：：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00439-z