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为了解决传统智能给药系统（SDDSs）在电纺体系中近红外（NIR）响应性与成像功能集成不足的问题，研究人员开发了基于聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、环丙沙星（CPX）和铁氧化物纳米粉末（INPs）的多功能电纺支架（PCI）。该研究证实，INPs赋予了支架超顺磁性、NIR触发的光热行为及磁共振成像（MRI）和X射线可探测性，而CPX的加入改善了纤维形态和表面润湿性。支架在NIR照射下可实现药物释放增强（约60%），并显示出高细胞活性（>85%）和良好的机械性能。这项研究为开发集可控给药、光热响应和成像能力于一体的、可扩展且经济高效的多功能生物医学平台提供了新策略。
在生物医学的前沿领域，科学家们一直梦想着创造出一种“聪明”的材料：它既能像精准的快递员一样，在需要的时间和地点释放药物，又能像微型加热器一样，在外部指令下局部升温用于治疗，甚至还能像显影剂一样，让医生能够清晰地“看到”它在体内的位置和状态。这种集治疗与诊断于一体的“治疗诊断”平台，对于实现精准、高效的疾病干预具有革命性意义。然而，理想很丰满，现实却往往面临诸多挑战。例如，如何将多种功能（如磁响应、光热转换、药物控释）巧妙地集成到一个简单、稳定且易于制备的材料体系中？特别是对于电纺纤维支架这种仿生细胞外基质、在组织工程和伤口敷料中广泛应用的材料，如何为其赋予外部刺激（如近红外光、磁场）响应的“智能”，同时保持其生物相容性和可加工性，仍是一个探索不足的领域。
传统上，为电纺纤维引入磁性和光热功能，常依赖于预先制备并稳定的超顺磁性氧化铁纳米颗粒分散液。但这类分散液往往与电纺溶剂体系兼容性差，增加了配方的复杂性和成本，且纳米颗粒的负载量有限。那么，是否存在一种更直接、更经济的替代方案呢？发表在《Journal of Drug Delivery Science and Technology》上的一项研究给出了一个颇具巧思的答案。来自意大利巴勒莫大学的研究团队Sergio Sciré, Achraf Derbel等人独辟蹊径，他们放弃了复杂的纳米颗粒分散液，转而使用干燥、廉价的铁氧化物纳米粉末作为原料，直接与生物可降解聚合物聚丁二酸丁二醇酯和抗生素环丙沙星混合，通过一步电纺工艺，成功制备出了多功能纳米纤维支架。这项研究不仅验证了“粉末策略”的可行性，更展示了一个紧凑、多功能且前景广阔的治疗诊断平台。
为开展此项研究，作者们运用了几个关键的技术方法。首先是电纺技术，用于制备基于PBS、CPX和INPs的复合纳米纤维支架，并通过优化悬浮液稳定性和纺丝参数，获得了无缺陷的均匀纤维。其次是多尺度表征技术，包括扫描电子显微镜观察形貌，傅里叶变换红外光谱和差示扫描量热法分析组分相互作用与状态，水接触角和水摄取实验评估润湿性，以及力学拉伸测试。第三是功能性评估技术，核心包括利用近红外光源和温度探头进行光热响应测试；使用Franz扩散池进行药物释放研究，并对比了有无NIR照射下的释放行为；以及采用基于霍尔传感器和磁通门磁力计的磁学测量系统来评估材料的超顺磁性行为。此外，成像兼容性验证通过微型计算机断层扫描和磁共振成像来证实支架的X射线和MRI可探测性。最后，细胞相容性评估通过Alamar Blue实验，使用人牙龈成纤维细胞和人表皮角质形成细胞来验证支架的生物安全性。
研究结果
3.1. 磁性纳米电纺丝的生产
研究人员成功制备了三种不同CPX和INP含量的PBS基电纺支架（PCI5-5, PCI5-10, PCI20-10）。通过优化悬浮液制备工艺（交替涡旋和超声处理），提高了INP的包封效率（约38-52%），而CPX因其完全溶解实现了接近100%的包封。电纺参数优化后，获得了均匀、无缺陷的纤维。
3.2. 磁性纳米电纺丝的形态表征
扫描电镜显示所有支架均具有无缺陷的纤维形态，平均纤维直径在153-166纳米之间，且组成变化对纤维尺寸影响很小。SEM-EDX和微CT分析证实了INP纳米颗粒在纤维中的掺入和分布，微CT还显示出支架内部可能存在微米级的INP聚集体，但功能测试表明这并未损害其性能。
3.3. 磁性纳米电纺丝的物理化学表征
接触角测试表明，负载CPX的PCI支架具有高度亲水性（水接触角~9°），而纯PBS支架疏水（~120°）。吸水实验进一步证实了PCI支架的亲水性显著增强。水蒸气透过率测试显示所有支架都具有高透气性，且不受组分影响。FTIR光谱证实了CPX以去质子化羧酸盐形式存在于纤维表面，这解释了其增强亲水性的原因。DSC分析表明，在电纺过程中CPX可能发生了非晶化，其熔融峰在支架热谱图中消失。对PCI20-10的力学测试显示其杨氏模量约为19.38 MPa，最大拉伸强度约2.96 MPa，最大应变约30.25%，具有适于生物医学应用的机械性能。
3.4. 磁性纳米电纺丝对外部刺激的响应性
3.4.1. NIR照射下的加热研究和磁共振成像
NIR照射实验证实，PCI支架具有显著的光热响应，而不含INP的对照支架则无此效应。升温幅度与INP含量呈正相关。在10W功率（51.02 W/cm2）照射下，PCI20-10可在约20分钟内从25℃升至42℃。在更低辐照度（1.2 W/cm2）下，从37℃开始照射，PCI20-10也能在300秒内升至约43.5℃。采用脉冲照射模式可维持温度稳定。此外，MRI成像清晰显示了PCI支架，证明了其作为植入物进行成像监测的潜力。
3.5. 释放研究
3.5.1. 使用Franz型扩散系统评估CPX释放（有/无NIR照射）
铁释放实验表明，在30天内未检测到INP从支架中释放，保证了其功能的持久性。CPX释放研究显示，PCI5-10的释放快速完全，而PCI20-10则呈现缓慢、持续的释放。在没有NIR照射的情况下，11天内释放了约40%的CPX并达到平台期。而在NIR照射下，同期释放量增加至约60%，且未达平台，表明光热效应能有效触发并增强药物释放。
3.6. 磁特性探索
采用霍尔传感器和磁通门磁力计两种方法对PCI5-10的磁学性质进行了研究。测量数据显示，材料的杂散磁场与外加磁场的变化曲线在增加和减少距离的循环中基本重合，且当外加磁场趋近于零时，杂散磁场也趋近于零。这表明材料没有表现出明显的磁滞现象，即没有剩磁和矫顽力，从而证实了其超顺磁行为。
研究结论与意义
该研究成功开发并全面表征了一种新型多功能电纺纳米纤维支架。其核心创新在于使用干燥的铁氧化物纳米粉末作为低成本的双功能（磁性和光热）剂，通过简单的电纺工艺将其与生物可降解聚合物PBS和模型药物CPX结合。所得PCI支架完美融合了多种理想特性：均匀的纳米纤维结构、可调的力学性能、显著增强的亲水性、高的水蒸气透过率以及良好的细胞相容性（细胞活性>85%）。
更重要的是，INP的引入赋予了支架三重关键功能：1) 超顺磁性，经磁学测量验证，为潜在的磁靶向或磁热疗应用提供了基础；2) 近红外光响应性，能有效地将NIR光转化为热，实现光热治疗和热触发药物释放；3) 成像兼容性，可通过Micro-CT和MRI进行可视化，这对于植入体定位和治疗监测至关重要。药物释放研究表明，该平台能够实现持续的CPX释放，并且NIR照射可以作为一种外部“开关”，显著增强和调控释放过程。
综上所述，这项研究提出了一种可扩展、经济高效的多功能平台构建策略。PCI支架将可控药物输送、NIR触发光热响应和磁成像检测能力集成于一个紧凑的电纺平台中，展示了在局部抗菌治疗、伤口愈合、癌症治疗诊断等高级生物医学应用中的巨大潜力。这项工作为开发下一代刺激响应型“智能”生物材料，特别是解决电纺体系中高性能光热剂简易集成的问题，提供了新的思路和切实可行的方案。
