伤口敷料是一种简单有效的急救方法,而传统的纱布等伤口敷料在伤口愈合过程中只能起到封闭伤口的作用,抗菌效果较差。理想的创面敷料要求具有伤口即时愈合、患者特异性治疗、抗菌效果好等特点。另外,由于滥用抗生素,耐多药细菌对伤口愈合构成了严重威胁,并且,缺乏有效的抗生素来治疗细菌感染的伤口。聚集诱导发光原(AIEgens)作为一种新的光敏剂,在聚集态下产生更高的活性氧(ROS),因此,有望成为治疗多药耐药细菌感染的理想候选药物。
近日,香港中文大学(深圳)唐本忠院士和赵征教授首次提出了一种可行且快速的原位生产 AIEgen 沉积纳米纤维敷料的策略,以治疗手术或意外伤害后的伤口感染。纳米纤维不同于传统的纱布伤口敷料,原位沉积比后处理更方便可控。利用手持式静电纺丝装置对包含AIEgens的PCL溶液进行静电纺丝,形成纳米纤维敷料。AIE纳米纤维敷料与创面紧密贴合,适合创面大小。体外和体内实验表明,AIE纳米纤维敷料具有良好的生物相容性和良好的抗菌活性,并且大大加快了创面愈合过程。因此,这种原位沉积的AIE纳米纤维敷料为特定类型的急诊创面提供个性化治疗,从而开启了急诊治疗的新篇章。相关研究成果以“In Situ Electrospinning of Aggregation-Induced Emission Nanofibrous Dressing for Wound Healing”为题目发表在期刊《Small Methods》上。
Scheme 1:电纺聚集诱导发射纳米纤维抗菌敷料的示意图。
聚集诱导发射纳米纤维抗菌敷料制备过程
为了制备AIE纳米纤维,唐本忠院士团队选择了PCL作为纳米纤维敷料的候选材料。将TBP分子与PCL溶液混合制备静电纺丝纳米纤维,随着TBP比例的增加,静电纺丝溶液颜色加深。为了加快溶剂的蒸发速度,采用溶剂挥发度高、蒸汽压高的四氢呋喃/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合溶剂进行原位静电纺丝,大大提高了溶剂的蒸发速度和干燥时间。
采用手持式静电纺丝装置制备AIE纳米纤维,并将其直接沉积于靶创面。研究了不同TBP含量的AIE纳米纤维的发光光谱。如图1e所示,随着TBP比例的增加,纳米纤维的荧光强度大大提高。接下来,作者以二氯荧光素(DCFH)为指标,评估不同TBP含量的AIE纳米纤维的ROS生成情况。DCFH与ROS相互作用后,荧光强度普遍增强。在白光照射下(16 mW cm−2),DCFH可以激发出显著的发光,增强了发光强度。随着 TBP 含量的增加,DCFH 的 PL 强度逐渐增强,表明 TBP 的 ROS 产量较高。
图1 a)THF 溶液中 TBP 的紫外-可见吸收光谱。b) THF 溶液中 TBP 的 PL 光谱。c) 具有不同甲苯分数 (fT) 的 DMSO/甲苯混合物中 TBP 的 PL 光谱。d) PL 强度与 DMSO/甲苯混合物组成的关系图。e) TBP含量分别为0.4%、0.8%和1.2%的PCL纳米纤维的PL光谱。f) DCFH 光谱表明 PCL 纳米纤维在白光照射 (16 mW cm-2) 不同时间后产生 ROS,TBP 含量分别为 0.4%、0.8% 和 1.2%,PCL 纳米纤维。
图2 a) TBP 含量分别为 0.4%、0.8% 和 1.2% 的 PCL 纳米纤维的 SEM 图像。 b) TBP含量为0%、0.4%、0.8%和1.2%的PCL纳米纤维直径的统计计数。
增加纳米纤维中AIEgen的含量可显著提高其对金黄色葡萄球菌和MRSA的抗菌能力。当AIEgen质量分数为1.2%时,菌落数量急剧下降。还利用共聚焦显微镜评估了AIE纳米纤维的抗菌活性。随着AIEgens含量的增加,AIE纳米纤维抗菌效果增强,红色细菌增多。
图3 a) 白光照射 (16 mW cm/2) 20 分钟后,用不同 TBP 含量的 TBP/PCL 纳米纤维处理金黄色葡萄球菌和 MRSA 的照片。b) 在白光照射(16 mW cm/2)20 分钟后,用不同 TBP 含量的 TBP/PCL 纳米纤维处理金黄色葡萄球菌和 MRSA 的细菌存活率。c) 用不同 TBP 含量的 TBP/PCL 纳米纤维处理后金黄色葡萄球菌和 MRSA 的共聚焦图像。
图4 在白光照射(16 mW cm/2)20 min后,金黄色葡萄球菌和MRSA在TBP浓度为0.4%、0.8%和1.2%的PCL上的形态变化被扫描电镜(SEM)观察。以PCL处理后的细菌为对照。
图5 a) 用不同 TBP 含量的 PCL 处理的 HUVEC 细胞和 NIH-3T3 细胞的活/死图像。b) 在不同 TBP 含量的 PCL 上培养的 HUVEC 和 3T3 细胞结构的 SEM 图像。c,d)在第 1、2 和 3 天,在具有不同 TBP 含量的 PCL 上培养的 HUVEC 细胞和 NIH-3T3 细胞的细胞活力计数。
AIE纳米纤维原位沉积用于皮肤伤口愈合
为了评估 AIE 纳米纤维在实际应用中的潜力,作者通过手持静电纺丝装置制造了沉积的 AIE 纳米纤维敷料。该便携式静电纺丝装置由手持喷丝头、小型化高压电源和集成注射泵组成。通过这种便携式设备,纳米纤维可以直接电纺到伤口表面并完全覆盖伤口部位(图 6b)。通过改变静电纺丝的距离和喷射角度,可以很容易地调整纳米纤维的沉积面积以适应伤口的大小。 通过将纳米纤维分层,敷料的厚度可以根据个人喜好进行个性化设置。
图6 a) 将 AIE 纳米纤维原位沉积到伤口上。b) 手持静电纺丝装置的照片。c) 术后第 4、7、14 天在纱布、PCL 和 TBP 含量为 1.2% 的 PCL 处理下的伤口外观照片。d) TBP含量为1.2%的纱布、PCL和AIE纳米纤维处理后不同天MRSA感染伤口面积的比例。e) 不同TBP含量的PCL纳米纤维的溶血试验。
图7 a) 在 PCL 和 AIE 纳米纤维处理后伤口组织中 TNF-α 和 IL-6 表达的蛋白质印迹分析。b,c)不同处理的TNF-α和IL-6的相对表达。d) 常规纱布、PCL 和 AIE 纳米纤维处理的第 4、7 和 14 天皮肤伤口的组织学分析。
小结:
综上所述,作者基于手持式静电纺丝装置,成功开发了一种抗菌、生物相容性好的AIE纳米纤维敷料,用于消除耐多药细菌感染,促进伤口愈合。原位静电纺AIE纳米纤维可以在伤口表面覆盖,并具有更好的密实度。特别是由于手持式静电纺丝装置的便携性和灵活性,纳米纤维敷料可以直接静电纺丝到不规则的伤口部位,具有完全覆盖和良好的舒适性。由于 AIEgen 的 AIG-ROS 特性,这种负载 AIEgen 的纳米纤维敷料对金黄色葡萄球菌和 MRSA 具有高效的抗菌活性,同时保持出色的生物相容性。
皮肤伤口模型的体内研究表明,沉积的 AIE 纳米纤维敷料可以有效预防 MDR 细菌衍生的伤口感染,有效减少炎症并显著加速伤口愈合。此外,这种纳米纤维敷料与手持式静电纺丝装置相结合,对实际的户外应用有很大的好处。在紧急情况下,这种纳米纤维伤口敷料可以直接敷在伤口部位,并在 2 分钟内完全覆盖伤口创面。因此,原位电纺纳米纤维敷料的策略为各种临床应用提供了一种通用、易于使用和有效的方法。
论文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202101247