DOI:10.1021/acsami.0c15612

下一代伤口护理技术能够诊断伤口参数，促进健康的细胞生长并无创性地减少致病性感染,这将为患者提供更高的护理标准并加速伤口修复。温度是慢性伤口特有的指示性生物标志物之一。这项工作报告了一种杂化多功能光学材料平台，即纳米金刚石（ND）-丝素膜生物聚合物敷料，它能够感知温度并促进伤口愈合。通过静电纺丝技术制备出该杂化结构，所形成的3D亚微米纤维膜具有较高的孔隙率。丝素纤维能够弥补伤口部位细胞外基质的缺失，从而支持伤口愈合过程。NDs中带负电荷的氮空位（NV-）色心显示出光学探测磁共振（ODMR）且用作纳米温度计。这可以用来感测与伤口感染或炎症相关的温度变化，无需通过物理手段去除敷料。研究结果表明，杂化ND-丝素膜中NDs的存在改善了丝素纤维的热稳定性。嵌入丝素纤维的NDs中的NV-色心表现出保留良好的荧光和ODMR。使用NV-中心作为荧光纳米级温度计，并将其用于促进细胞生长的ND-丝素膜时可实现25-50℃的温度传感，包括与生物相关的温度窗口。对于杂化材料，观察到其NV-中心的温度敏感性增强（平均约1.5倍）。在小鼠伤口愈合模型中对杂化膜进行了进一步的体内测试，证明了其生物相容性和与对照伤口相当的伤口闭合率。此外，杂化ND-丝素膜表现出选择性的防污以及对革兰氏阴性铜绿假单胞菌和大肠杆菌的杀菌倾向，而对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌没有影响。

图1.（a）金刚石晶格中NV色心的结构。（b）NV-中心的激发态和基态的简化能级，显示出光跃迁和MW跃迁。（c）NV中心地面自旋水平随温度变化的能量图。电子自旋能级受温度T的影响。室温下单晶金刚石的零场分裂（D0约2.87GHz）随温度而变化：D（T）=D0-αT，其中α=74kHz/℃。

图2.（a）沉积在玻璃盖玻片上的甲醇后处理ND-丝素膜的SEM和（b）50×50μm2共聚焦荧光图。（c）仅丝素膜的SEM和（d）共聚焦荧光图像。SEM和共聚焦荧光图像显示同一样品的不同区域。虚线白框内的插图显示了样品更高放大倍数的SEM和共聚焦荧光图像。

图3.（a）细胞培养48小时后，在ND-丝素纤维膜上生长的HaCaT细胞的扫描电子显微镜图像。（b）在丝素的NDs中，用于NV-中心光激发和温度检测的装置示意图。微波场采用Ω芯片谐振器，通过热电Peltier加热器改变温度。（c）在玻璃盖玻片上培养细胞的ND-丝素膜的100×100μm2荧光图。中央的圆形区域是在杂化膜上生长的固定细胞之一。实线表示嵌入NDs的丝素纤维。虚线框显示了两个代表性的NDs，实心框内的插图显示了所选感兴趣区域的放大10×10μm2扫描图。（d）从荧光NDs获得的荧光光谱，证实存在NV中心。

图4.（a）从嵌入培养细胞的ND-丝素膜中的NV-中心记录的ODMR光谱。在环境温度22℃（蓝色）和升高的温度55℃（红色）下，测量NV中心的荧光发射强度与MW频率的关系。点是实验获得的数据。实心曲线代表对应于相应颜色数据的洛伦兹拟合。ODMR频谱中的零场分裂参数D随温度变化。黑色箭头分别指示在22和55℃下的荧光下降。（b）D值随ND粒子自身温度（蓝色）和丝素膜内部ND粒子温度（黑色）变化的曲线图。圆圈和三角形显示实验数据，实线对应于线性拟合。在每个温度点记录3-5个读数，并绘制平均中心频率和平均值误差。

图5.丝素和丝素-ND电纺膜的DSC曲线。对于同一组样品，在（a）第一个和（b）第二个加热循环中，比热容随温度变化。

图6.在小鼠伤口愈合模型中，对丝素和ND-丝素杂化平台的兼容性测试。用（a）PBS与丝素膜以及（b）PBS与ND-丝素杂化膜处理伤口，并记录在受伤后0-10天的伤口闭合占第0天伤口的百分比。条形图插图代表每只小鼠中每处伤口的AUC平均值。p值来自（a，b）的配对t检验。使用（c）PBS与丝素以及（d）PBS与ND-丝素杂化膜的小鼠在受伤后第3天和第7天用激光多普勒成像测量伤口血流灌注。虚线框内显示了第3天和第7天针对PBS与丝素处理的伤口以及PBS与ND-丝素覆盖的伤口进行灌注研究的代表性图像。比例尺指示从低（深蓝色）到高（红色）血流量的灌注范围。受伤后第10天，用苏木精和曙红染色的伤口的代表性组织学横截面，用（e）PBS-，（f）丝素膜和（g）ND-丝素膜处理的伤口。计算每处伤口的伤口细胞浸润物占总伤口肉芽面积的百分比；（h）PBS与丝素膜和（i）PBS与ND-丝素膜。p值来自（h，i）的非配对t检验。所有数据均以n=3-4只小鼠的均值±SEM（均值的标准误差）表示。

图7.ND-丝素膜的抗菌活性。铜绿假单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在（a，d，g）仅丝素，（b，e，h）ND0.25-丝素和（c，f，i）ND0.5-丝素膜上的细胞形态。细菌以红色（无效）和绿色（有效）突出显示。在（a-f）的膜上可以看到极少量的铜绿假单胞菌和大肠杆菌。相反，观察到大量（绿色）活的金黄色葡萄球菌在ND-丝素纤维膜上粘附并增殖。铜绿假单胞菌附着于（a'）仅丝素，（b'）ND0.25-丝素和（c'）ND0.50-丝素膜的CLSM图像。用（d'）仅丝素，（e'）ND0.25-丝素和（f'）ND0.50-丝素膜孵育大肠杆菌的CLSM图像。用（g'）仅丝素，（h'）ND0.25-丝素和（i'）ND0.50-丝素膜孵育金黄色葡萄球菌的CLSM图像。发出绿色荧光的圆形物体表示有生命的细菌，而红色表示死亡的细胞。（j）丝素-ND样品的抗菌活性。在所有样品中均观察到高水平的铜绿假单胞菌和大肠杆菌细胞死亡。在仅丝素和ND-丝素杂化膜对革兰氏阴性细菌菌株的抗菌活性之间未观察到显著差异。金黄色葡萄球菌与仅丝素和ND-丝素膜共孵育的细胞死亡水平非常低。