随着全球人口老龄化，骨科疾病的发病率日益上升，这使得骨科植入物的临床需求大幅增加。然而，术后并发症（包括术后出血、植入物相关感染（IAIs）以及成骨不足）仍在制约手术效果。

为同时应对这些挑战，上海交通大学沈浩教授等人开发了一种多功能静电纺丝纤维涂层（EFC），其内部具有三层核壳纳米结构，可将氨甲环酸（TXA）、非诺洛芬（Fen）和葛根素（Pue）分别负载在壳层、中间层和核心层中。以聚己内酯（PCL）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为聚合物基质，研究团队成功制备出三层静电纺丝纤维。尽管面临技术挑战，该纤维仍实现了 TXA、Fen 和 Pue 的空间分隔负载。体外和体内研究表明，TXA 能快速发挥止血作用，有效减少术后初期出血；随后，Fen 通过抑制金黄色葡萄球菌（S. aureus）的 SaeRS 双组分系统、破坏生物膜屏障并促进宿主对细菌的清除，从而抑制该菌的毒力；最后，Pue 可诱导巨噬细胞向 M2 型极化，进而促进血管生成和成骨作用，最终为骨再生和植入物长期整合提供支持。

这种静电纺丝纤维涂层（EFC）为解决骨科植入手术术后并发症提供了一种具有潜力的序贯治疗策略。本研究报道的实验方案，基于独特的 “工艺 - 结构 - 性能” 关系，为开发新型载药纳米材料开辟了新途径。相关研究内容以“Electrospun Tri-Layer Core-Sheath Nanofibrous Coating for Sequential Treatment of Postoperative Complications in Orthopedic Implants”为题目，发表在期刊《Small》上。

方案1 图示EFC的制作过程以及止血、抗菌和成骨性能的评估。

静电纺丝纤维的制备

静电纺丝常用的基材包括聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）及聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物（PLGA）等多种可生物降解聚合物。其中，聚己内酯（PCL）因具有优异的生物相容性、机械强度和生物降解性，成为静电纺丝的理想基础材料。但由于 PCL 本身具有疏水性，研究团队在三轴静电纺丝的壳层中加入亲水性聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP），以改善纤维的表面亲水性。

实验分组根据纤维结构中各层负载的治疗药物确定：

P 组：仅含聚己内酯（PCL）的无药纤维；

PT 组：单层聚己内酯（PCL）结构，负载氨甲环酸（TXA）；

PTF 组：同轴双层结构，壳层负载氨甲环酸（TXA）、核心层负载非诺洛芬（Fen）；

PTFP 组：三层核壳纳米结构，从核心到壳层依次负载葛根素（Pue）、非诺洛芬（Fen）和氨甲环酸（TXA）；

对照组（Control）：未进行任何处理的组别。

图 1. 三药序贯释放静电纺丝纤维涂层（EFC）的表征。

图 2. 静电纺丝纤维的体内外止血性能。

静电纺丝纤维的止血性能

为探究静电纺丝纤维的止血效果，研究人员将新鲜采集的小鼠血液与纤维接触后，通过扫描电子显微镜（SEM）进行观察。如图 2a 所示，PT 组（负载 TXA 的单层 PCL 纤维）、PTF 组（负载 TXA 和 Fen 的同轴双层纤维）和 PTFP 组（三层核壳载药纤维）中均观察到致密的纤维蛋白网络，且红细胞呈现拉伸变形状态；与之形成对比的是，对照组（无处理）和 P 组（无药 PCL 纤维）中仅能观察到稀疏的纤维蛋白。此外，体外实验结果显示，与对照组和 P 组相比，负载 TXA 的各组（PT、PTF、PTFP）血液凝固时间显著缩短。

为进一步验证静电纺丝纤维的体内止血性能，研究采用了两种小鼠模型 —— 肝穿刺模型和断尾模型。在肝穿刺模型中，PT 组、PTF 组和 PTFP 组的出血量显著低于对照组和 P 组（图 2b- d）；断尾模型的结果也呈现出相似的出血减少趋势（图 2e- g）。从作用机制来看，静电纺丝纤维通过释放 TXA 发挥止血作用，TXA 可阻止纤维蛋白降解，进而抑制纤维蛋白溶解，该机制如图 2h 所示 [47]。

综上，这些结果表明，负载 TXA 的静电纺丝纤维能够快速释放药物并发挥强效止血作用，在术后出血管理方面具有良好的应用前景。

图 3. 静电纺丝纤维对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗毒力作用。

图 4. 静电纺丝纤维的体外抗生物膜性能。

图 5. 三层核壳载药静电纺丝纤维（PTFP）通过巨噬细胞介导的免疫调节在体外促进成骨与血管生成。

图 6. 静电纺丝纤维的体内抗菌性能。

图 7. 静电纺丝纤维的体内抗生物膜活性。

三层核壳载药静电纺丝纤维（PTFP）在小鼠假体周围关节感染（PJI）模型中恢复行走能力

鉴于在小鼠皮下植入物感染模型中观察到三层核壳载药静电纺丝纤维（PTFP）具有抗菌和组织修复特性，研究人员进一步在小鼠假体周围关节感染（PJI）模型中评估了其治疗效果（图 8a）。因此，在感染后 4 周，研究人员通过步态分析评估了静电纺丝纤维对 PJI 模型小鼠行走能力的影响。

结果显示，对照组（Control）、P 组（无药 PCL 纤维组）和 PT 组（仅负载 TXA 的纤维组）小鼠的足迹散乱且不规则，表明其运动能力受损；与之相反，经 PTF 组（负载 TXA 和 Fen 的纤维组）和 PTFP 组处理的小鼠，足迹排列整齐、轮廓清晰，行走能力得到明显改善（图 8b）。定量步态参数分析结果显示，与其他所有组别相比，PTFP 组小鼠的支撑时间、步长、平均强度及行走速度均显著提升（图 8c- f）。

为评估 PTFP 的体内抗菌效果，研究人员对完整胫骨及植入物进行了菌落形成单位（CFU）计数。结果显示，PTF 组和 PTFP 组的细菌载量显著降低，证实了这两组纤维在体内的抗菌活性（图 8g, h）。此外，小鼠足迹的三维重建压力热图显示，PTFP 组小鼠的足迹模式最完整、对称，而其他组别小鼠的足迹则存在变形或不完整的情况（图 8i）。

考虑到体外实验中观察到 PTFP 具有促成骨潜力，研究人员进一步探究了其在体内的骨再生作用。感染 4 周后对小鼠胫骨进行显微计算机断层扫描（micro-CT）分析发现，对照组、P 组、PT 组和 PTF 组均出现明显的骨小梁丢失，而 PTFP 组则表现出显著的骨再生（图 8j）。定量分析结果进一步证实，与其他所有组别相比，PTFP 组的骨矿物质密度（BMD）和骨体积/总体积（BV/TV）均显著更高（图 8k, l）。这些结果表明，PTFP 不仅具有强效抗菌活性，还能有效恢复 PJI 模型小鼠的关节功能，并促进植入物周围骨再生。

图 8. 静电纺丝纤维在体内的抗菌及成骨作用。

结论

综上，本研究开发了一种用于骨科植入物的静电纺丝纤维涂层（EFC），命名为 PTFP。该涂层可实现氨甲环酸（TXA）、非诺洛芬（Fen）与葛根素（Pue）的序贯释放，从而分别应对骨科植入术后出血、感染及假体松动三大并发症。这种具有层级结构的纤维实现了阶段特异性释放动力学：TXA 快速释放以实现早期止血，Fen 和 Pue 则缓慢释放，分别发挥抗菌作用与成骨作用。

体外实验表明，PTFP 生物安全性优异，可促进致密纤维蛋白网络快速形成，并显著减少出血；同时能有效抑制金黄色葡萄球菌（S. aureus）毒力、破坏生物膜结构，且可增强免疫细胞浸润，从而助力细菌清除。在皮下植入物感染模型中，PTFP 可抑制感染、加速组织修复、促进血管生成并改善功能恢复。此外，在假体周围关节感染（PJI）模型中，显微计算机断层扫描（micro-CT）分析证实，PTFP 可诱导巨噬细胞向 M2 型极化，并协同增强成骨与血管生成作用。

本研究基于静电纺丝三层核壳纳米结构的制备与应用，为骨科植入手术术后并发症的序贯多药治疗提供了有效方法。基于本研究提出的设计思路，通过将新型聚合物、人工智能（AI）等新技术及新型材料转化工艺不断引入生物医学领域，有望开发出更多类似的新型载药纳米结构，用于治疗难治性疾病。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202505523