第一作者：Ting-Ting Li, Li Sun
通讯作者：李婷婷，彭浩凯，Ching-Wen Lou
近期，天津工业大学李婷婷副教授与彭浩凯高级实验师联合Ching-Wen Lou教授团队在Chemical Engineering Journal上发表了基于壳聚糖的抗菌微球负载多功能 Janus 复合膜，具有单向生物流体输送、抗氧化和 pH 响应监测功能的研究工作。细菌感染、伤口渗出物的管理和愈合状态的监测是伤口治疗中最突出的问题，然而，根据研究结果，迄今为止研究的敷料的多功能性是相对均匀的，这使得伤口敷料同时具有抗菌和抗氧化性能，单向流体输送和监测伤口愈合仍然是当前研究中的一个挑战。在静电纺丝和静电喷涂技术的基础上，利用亲水性层polyacrylonitrile@poly(多巴胺)(PAN@PDA)、疏水性层聚己内酮@姜黄素/丝素(PCL@CUR/SF)和载药层胺化介孔硅壳聚糖/姜黄素(MSN-NH2-CS/CUR)之间的润湿性差异，制备了多功能Janus复合膜，并将多余的伤口渗出液排干。有趣的是，复合膜在551 h时的体外累积释放率为7.67%，在120 min时的抗氧化活性为79.01%，复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌性能分别为98%和99%左右，表明复合膜具有优异的药物阻滞和抗菌抗氧化性能。在pH为6、7.2、8和9的缓冲液中，复合膜的颜色由黄色慢慢变为橙红色，表明复合膜可以作为伤口愈合过程中的pH指示剂。MTT和细胞粘附实验表明，复合膜具有良好的细胞相容性，有利于细胞的粘附和增殖。这种多功能Janus复合膜将用于伤口管理和治疗。
要点一：本研究基于逐层组装策略，采用静电纺丝和静电喷涂技术构建了壳聚糖基载药微球多功能Janus复合膜，该复合膜主要由三层组成:最外层为亲水性修饰polyacrylonitrile@poly(多巴胺)(PAN@PDA)纳米纤维膜亲水层;中间层为疏水层，是由丝素(SF)、聚己内酯(PCL)和姜黄素(CUR)共混而成的静电纺丝纳米纤维膜，;最内层为载药层，由氨基化介孔二氧化硅(MSN- NH2)-壳聚糖(CS)/姜黄素(CUR)载药微球组成，在MSN-NH2-CS中装载CUR，使CUR先释放到MSN-NH2中，再进入CS，最后进入体内，从而改善了CUR的缓释，提高了CUR的生物利用度。
要点二：Janus结构中的疏水层和载药层提供持久的推力，这种“推拉”力的共同作用使伤口渗出物通过复合膜排出体外，而疏水层和载药层中的姜黄素则起到抗菌和抗氧化剂的作用，并监测伤口愈合。亲水性、疏水性和载药层的结合使敷料具有优异的载药和缓释性能、抗菌和抗氧化性能、单向流体输送和伤口愈合指示。
图1.复合膜的制备工艺；（b）抗菌原理图；（c） 结构及单向液体输送。
图2.(a) TEM图，(b) SEM图，(c) MSN - NH2纳米粒径分布曲线;(d) TEM图像，(e) SEM图像，(f)纳米微球粒径分布曲线;(g) 10%浓度的MSN-NH2-CS微球的TEM图像;(h) N2吸附-解吸曲线和(i) MSN - NH2的孔径分布。
图3. (a) PCL@CUR/SF纳米纤维膜静电纺丝20min的MMT分析;(b) MSN-NH2-CS微球静电喷涂5min的MMT分析;(c)复合纳米纤维膜各组分的FTIR光谱;(d)复合纳米纤维膜各组分的紫外-可见吸收光谱。
图4.（a）复合膜的PBS溶液在不同pH条件下的颜色；（b）复合膜在不同pH条件下的LAB值（插图显示了不同pH 条件下复合膜的颜色）；(c) MSN-CS/CUR和MSN-NH2-CS/CUR载药微球体外释放曲线(d) PAN@PDA/PCL@CUR/SF纳米纤维膜和复合膜体外释放曲线。
图5.（a）培养24小时后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落计数。（b） MSN-NH2-CS/CUR对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能；（c）复合膜及其组分的抗氧化性能；（d） 不同复合材料抗氧化性能的比较。
图6. Janus复合膜的定向液体传输机制。（a） 顶部为载药层；（b）顶部亲水层。
图7.（a） 不同纳米纤维膜在1小时、3小时、5小时和7小时的细胞粘附性能；（b） L929细胞在不同纳米纤维膜上1天、4天和7天的细胞活力。
这项研究中设计并制备了一种用于伤口愈合的多功能Janus复合膜，并验证了其作为伤口敷料的潜力。将CUR作为载药载体，在MSN-NH2-CS微球中提高了CUR的生物利用度。并在PAN@PDA/PCL@CUR膜上静电喷涂负载MSN-NH2-CS/CUR的微球制备多功能Janus复合膜，实现双重载药功能。体外释放实验表明，复合膜的缓释性能超过500 h，表明复合膜具有优异的缓释性能。抗氧化实验结果表明，在120 min时，其抗氧化活性为79.01%。此外，在抗菌实验中，复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能分别达到98%和99%左右，表明复合膜的抗菌能力显著。pH试验结果表明复合膜可作为伤口愈合过程中的pH指示剂，MTT试验和细胞粘附试验证明复合膜具有良好的生物相容性。在下一阶段，本研究将对制备的敷料进行体内动物实验。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144820
