一种协同作用的Janus纳米纤维敷料能够实现对急性伤口的时空顺序治疗

《Biomaterials Advances》：A synergistic Janus nanofiber dressing enables spatiotemporal sequential treatment of acute wounds

急性伤口愈合常受感染和炎症阻碍，本研究开发了一款名为DRJD的双层协同敷料：外层疏水PAN/TPU纳米纤维负载抗生素FA，快速建立物理屏障并持续抑菌；内层亲水PVA复合中药提取物AME，遇渗出液溶解释放抗炎成分，调控炎症微环境。体外显示协同抗菌及抑制M1巨噬细胞极化，动物模型验证其加速伤口闭合、促进胶原成熟和血管生成的效果，通过降低TNF-α和增加CD31阳性微血管密度实现炎症向再生转化。该研究建立空间分离、时间协同的外护内调伤口干预模型。

　　

王浩|孙新星|梁娜|周鲁斌|徐世石|陈倩|王秀辉|黄彪通|周凤金

上海大学温州研究院，中国温州，325000

摘要

急性伤口愈合常常受到无法控制的感染和持续炎症的阻碍。这突显了需要能够进行时空协调干预的多功能敷料。在这里，我们报道了一种基于协同作用的“防御-调节”Janus敷料（DRJD），它结合了传统中医（TCM）和西方治疗方法。疏水外层（DRJD-O）由聚丙烯腈（PAN）和热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维组成，并加载了夫西地酸（FA），形成物理屏障，能够迅速拦截入侵细菌并提供持续的抗菌保护。相比之下，亲水内层（DRJD-I）基于聚乙烯醇（PVA），并含有白术提取物（AME），在接触到伤口渗出物时会迅速溶解，触发抗炎成分的早期释放，以调节炎症早期的微环境。Janus结构实现了时空有序的释放模式，即首先通过AME调节微环境，随后通过FA长期提供抗菌防御，防止再次感染。体外实验表明，DRJD对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）具有强大的协同抗菌活性，并显著抑制了M1型巨噬细胞的极化，显示出免疫调节效果。在全厚度大鼠伤口模型中，DRJD显著加速了伤口愈合，促进了强烈的上皮再生，增强了胶原蛋白的成熟，并刺激了血管生成。组织学和免疫组化分析进一步显示，TNF-α的表达减少，CD31阳性微血管的密度增加。这些变化表明伤口环境从炎症状态转变为再生状态。本研究建立了一个时空协调的外部防御-内部调节模型，为急性及潜在慢性伤口的治疗提供了一个有前景的转化平台。

引言

急性伤口愈合是一个高度调控的生理过程，通常依次经历止血、炎症、增殖和重塑阶段[1]。然而，在损伤的早期阶段，愈合常常受到微生物入侵和过度炎症反应的干扰[2]，[3]。与感染相关的病原体信号可以持续放大促炎途径（如IL-1β相关轴），并驱动炎症细胞因子的积累[3]。同时，过度炎症会导致组织屏障破坏和局部微环境的恶化。这两个因素相互强化，形成了感染和炎症之间的正反馈循环，最终延缓了组织修复[4]。此外，血管生成不足和基质重塑也会延长炎症阶段[5]。因此，在伤口愈合的初始阶段施用抗炎剂可以显著抑制炎症反应的过度升级，加速炎症的消退，并促进向增殖阶段的无缝过渡。此外，在整个愈合过程中维持持久的抗菌效果对于确保有效的、一致的伤口修复至关重要。

尽管敷料在整个伤口管理过程中起着关键的支持作用，但传统敷料在主动调节愈合过程方面的能力有限，尤其是在药物装载能力、稳定性和时空可控的按需释放方面。例如，传统的多孔敷料通常依赖于简单地将治疗剂物理结合，但所输送的药物容易被伤口渗出物冲走，使得控制和持续暴露变得困难[6]，[7]。相比之下，静电纺丝纳米纤维的核心优势不仅在于模仿细胞外基质（ECM），还在于提供了一个结构可编程的平台。纳米级纤维和高度互联的孔道显著增加了比表面积和可接触的界面，使得治疗剂能够更高效、更稳定地结合。此外，纤维直径、孔网络和膜层结构可以通过工艺参数进行系统控制，从而将敷料的结构转化为影响润湿性、质量传递和释放行为的关键变量[8]，[9]。因此，静电纺丝系统在实现治疗剂的区分装载和分阶段释放方面具有更大的潜力，满足了主动治疗敷料对多信号携带和释放调节的需求[10]。

在静电纺丝敷料系统中，通常使用PVA纳米纤维作为亲水接触层。它们快速的润湿性和保湿性能为细胞粘附/增殖和修复过程创造了相对有利的微环境[11]。然而，在伤口愈合的早期阶段，当需要外源性抗菌防御和内源性免疫调节时，单一PVA层的过快水化成为一个限制因素。当渗出物渗透时，PVA会迅速膨胀并溶解，降低扩散阻力。这不仅会损害敷料界面的稳定性，还会导致药物过早释放[11]。因此，原本旨在分阶段释放的多种信号会在同一时间窗口内集中，破坏了与愈合阶段相匹配的释放时机[12]，[13]。为了解决这一结构矛盾，近年来一种更有前景的方法是通过结构-功能分离来解耦界面屏障和信号释放。一种策略是通过先进的静电纺丝技术引入核心-壳层、Janus或多腔/多层结构[14]。这些纤维级的隔室可以分离不同载荷的质量传递路径，从而实现持续或顺序释放[15]，[16]，[17]。另一种方法利用润湿性不对称性或在膜尺度上进行逐层（LbL）堆叠，创建亲水-疏水隔室，更直接地定义了渗透和扩散的顺序[13]，[18]。因此，本研究采用静电纺丝LbL构建的疏水/亲水双层结构作为 streamlined平台，将抗菌信号和免疫调节信号在空间上分开，从而实现从炎症到修复的阶段匹配的顺序干预。

常用的外用抗生素如夫西地酸（FA）用于治疗表浅的葡萄球菌感染。选择FA是因为其在外用应用中有着良好的记录，能够在伤口愈合的早期阶段迅速抑制细菌[19]。相比之下，传统中医强调通过多组分、多靶点的方法整体调节免疫和炎症。选择白术提取物（AME）既基于其在改善炎症内部环境中的传统用途，也基于现代研究系统地证实了其多糖成分的抗炎和免疫调节活性[20]。同时，白术中的代表性生物活性单体，如阿特拉提伦醇苷-III，通过抑制炎症相关模型中的TLR4/NF-κB轴来促进巨噬细胞的表型重编程，这与伤口炎症向修复转变所需的免疫学轨迹一致[21]。因此，通过空间分离和时间窗口协调，将FA的抗菌作用与白术衍生物的免疫调节效果结合起来，可以降低因不当外用而产生耐药性的风险。这种方法控制了活性草药成分的暴露，使敷料能够在缩短炎症持续时间的同时控制细菌生长。它为“外部防御和内部调节”的顺序治疗敷料提供了设计依据[19]，[20]，[21]，[22]。

基于以上内容，我们提出了DRJD，它采用静电纺丝LbL层叠技术构建疏水/亲水功能隔室。这种方法通过界面润湿性和质量传递屏障，将抗菌因子FA与白术提取物空间分离，实现了更可控的顺序释放[13]，[18]。这有助于在伤口愈合的早期阶段实现双重途径的干预——微生物控制和抗炎/免疫重编程[3]，[4]，[5]。与依赖复杂多流体设备的多腔/核心-壳层纤维策略[10]，[16]不同，本研究采用可扩展的层压膜结构进行区分释放，明确了结构分隔、扩散路径和释放时机之间的因果链[13]，[18]。接下来，我们系统地分析了DRJD的结构-性能关系和物理化学特性，评估了其抗菌效果、体外免疫调节活性和生物相容性，并在大鼠全厚度皮肤切除伤口模型中验证了其促进伤口愈合的效果。总体而言，本研究采用LbL结构实现了阶段匹配的、可验证的顺序释放，提供了一种材料策略，通过外部保护和内部调节来平衡制造的可行性和治疗时机。

材料

夫西地酸（FA，纯度98%）购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国上海）。白术提取物（AME，50:1草药提取物，批号2025042801）购自山西宜丰生物科技有限公司（中国山西）。聚丙烯腈（PAN，MP1006）购自Arkema（法国巴黎）。医用级热塑性聚氨酯（TPU，Elastollan?医疗级）购自BASF（德国路德维希港）。聚乙烯醇（PVA，药用级）

时空Janus系统的设计与结构表征

理想的伤口敷料应该能够随时间响应愈合过程的不同阶段[6]。基于这一原则，我们使用静电纺丝技术设计并制备了具有不同结构和功能隔室的DRJD（图1c）。其核心设计理念是构建一个具有空间分离功能的协作系统。外层由含有抗菌剂FA的疏水PAN/TPU复合纳米纤维组成。这一层的设计目的是为了快速

结论

在这项研究中，我们开发了一种受Janus启发的静电纺丝伤口敷料，以“外部防御和内部调节”为核心概念，实现了外部抗感染保护和内部炎症微环境调节之间的时空协调。结果表明，这种敷料在体外显著增强了抗菌和抗炎能力，同时加速了大鼠全厚度皮肤缺损的伤口闭合和组织再生

CRediT作者贡献声明

王浩：撰写——原始草稿，可视化，方法学，研究，数据分析。孙新星：研究，数据分析。梁娜：研究，数据分析。周鲁斌：撰写——审稿与编辑，方法学，研究。徐世石：监督，资源提供，方法学。陈倩：可视化，研究。王秀辉：撰写——审稿与编辑，资金获取。黄彪通：撰写——审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了温州瓯海科技项目（编号：2024oh0010）和福建省自然科学基金（编号：2025J01301）的支持。