微針（MNs）具有獨特的三維立體化學結構，是組織固定和藥物輸送的理想候選者。然而，現(xiàn)有的水凝膠MNs在膨脹后表現(xiàn)出較差的力學性能，并且需要復雜的制備工藝，阻礙了它們的實際應用。因此，西南大學藍廣芊、陸飛團隊設計了殼聚糖纖維增強絲素MN貼片，其中含有表沒食子兒茶素沒食子酸酯（SCEMN）。通過引入甲酸-氯化鈣體系制備了具有良好內在粘附性的水凝膠MNs，殼聚糖纖維作為增強材料的摻入提高了機械強度和粘度，從而增加了與組織的物理纏結和保持形狀的能力。插入力較低的SCEMN與豬皮粘附牢固，最大剝離力為11.98 N/ cm2。此外，SCEMN具有優(yōu)異的抗氧化和抗菌性能，促進巨噬細胞從M1向M2極化，與商業(yè)產品Tegaderm?相比，在體內對糖尿病傷口修復表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。這項研究是纖維增強水凝膠MNs用于增強組織粘附的首次試驗。研究結果強調了這種創(chuàng)新方法對推進MN技術增強組織粘連和加速傷口愈合的重要性。
研究內容
為了制造滲透力低、力學性能強、表面附著力好的MN貼片，作者設計了CS纖維增強MN貼片（圖1a）。采用FA-Ca（甲酸-氯化鈣）溶劑體系制備SF溶液，并加入CS/EGCG（殼聚糖/表沒食子兒茶素沒食子酸酯）纖維。通過模板澆鑄法制備了SF-CS/EGCG MN （SCEMN）貼片。引入CS（殼聚糖）纖維可提高純SFMN貼片的力學性能，避免其在與織物接觸時發(fā)生超前變形。此外還具有雙面尖端結構（圖1b）及將SCEMN貼片定制成各種形狀（圖1c），適用于不規(guī)則組織傷口。
圖1 纖維增強微針（MN）貼片的制造。a制造過程的示意圖和纖維增強圖。b雙面微針的光學圖像。c顯示基于折紙設計的MN貼片的各種折疊方法的照片。
圖2a-d的中FTIR表明，經過甲酸-氯化鈣處理后，絲素蛋白分子鏈從規(guī)則排列的β-折疊結構轉變?yōu)闊o規(guī)卷曲。圖2 f，g分別從拉曼光譜的酰胺I區(qū)分析干和濕FA-CA處理的SF的二級結構。圖2 j為純殼聚糖（CS）和CS/表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）的O1s和N1s X射線光電子能譜曲線的窄掃描。圖2 k為纖維增強的G’和G”的變化。
圖2 結構和流變性能表征
圖3顯示殼聚糖纖維在磷酸鹽緩沖鹽水中以特定時間間隔孵育后溶脹的光學顯微鏡圖像。PBS孵育后CS纖維的形態(tài)學變化如圖3a所示。最初，均勻直徑的短CS纖維隨機分散在SF膜中；然而，在吸收水分纖維膨脹后，填滿了整個視野。單根CS纖維的初始直徑約為20 μm，表明連續(xù)增加吸水時間后膨脹了3倍（圖3b）。圖3c-d通過插入瓊脂糖凝膠后，SFMN和SCEMN的體積在插入凝膠后急劇增加，CS纖維引入提供了額外的膨脹，有利于與周圍組織的物理纏結。圖3e-g 通過皮膚中滲透的有限元模型表明，SCEMNs穿透后保持完整，機械強度良好，與流變試驗結果一致。
圖3 微針的溶脹行為分析及有限元模擬
為了評估SCEMN貼片的粘附性能，進行了三種典型的力學試驗，分別使用剪切試驗（圖4a）、剝離試驗（圖4b）和拉伸試驗（圖4c）量化抗剪強度、界面韌性和抗拉強度。圖4b-f表明CS纖維的加入增強了粘接強度，提高了濕組織的粘附性，CS纖維的引入導致楊氏模量（73.1 kPa）明顯高于SFMN貼片（16.9 kPa）（圖4f）。楊氏模量的增加表明纖維增強MN貼片在皮膚插入過程中有效抵抗變形。
圖4 體外定量和定性粘附試驗
采用糖尿病小鼠全層皮膚創(chuàng)面模型驗證SCEMN貼片的治療效果。與對照組、商業(yè)敷料組相比，SCMN組的創(chuàng)面愈合效果更好。圖5d為H&E和Masson染色，結果表明與對照組、商業(yè)敷料組相比，SCEMN組表現(xiàn)出比其他組更有序的肉芽組織形成，更快的形態(tài)愈合，更整齊的再表皮結構，厚度更接近正常皮膚。在愈合過程中，各組膠原蛋白密度逐漸升高，其中SCEMN組膠原沉積最多，表現(xiàn)出緊密編織的纖維和更規(guī)則的方向。圖5e表明SCEMN可以在炎癥早期介導巨噬細胞從M1向M2極化，從而消除了氧化、促炎和促溶糖尿病傷口微環(huán)境。生長因子的分泌進一步增強了細胞增殖，刺激了再上皮化，并增加了膠原沉積和血管生成。
圖5 含有表沒食子兒茶素沒食子酸酯（SCEMN）貼片的殼聚糖纖維增強絲素MN貼片加速糖尿病小鼠模型的傷口愈合。
結論
綜上所述，為了解決溶脹水凝膠MN的力學性能和組織固定性差的問題，研究提出了一種雙面結構的CS纖維增強MN貼片。與目前可用的選項相比，新型SCEMN通過鈣修飾的絲素蛋白衍生表面粘附的構象轉變和纖維增強實現(xiàn)了卓越的組織粘附性。SCEMN貼片具有更好的力學性能，對豬皮膚、肝臟和豬肉組織具有更好的粘附性。動物實驗進一步證明了SCEMN的修復性能（愈合率:96.9%）優(yōu)于市售產品（愈合率:87.1%）。此外，通過免疫熒光染色和ELISA驗證SCEMN在M1向M2表型轉化和生長因子分泌加速創(chuàng)面修復中的作用。這種纖維增強水凝膠MN貼片為制備特殊形狀的MN貼片提供了方便的途徑。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00439-z
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