Bio-road研發(fā)團(tuán)隊陸飛副教授在材料領(lǐng)域知名期刊《Advanced Fiber Materials》上發(fā)表最新研究成果
微針（MN）是一種長度為數(shù)十至數(shù)千微米的單針或陣列針，連接到基板上形成貼片。微針技術(shù)的出現(xiàn)不僅提供了一種新的藥物輸送方式，而且在生物傳感器和醫(yī)學(xué)診斷與治療領(lǐng)域帶來了許多新的可能性。隨著該技術(shù)的深入研究和應(yīng)用不斷擴(kuò)大，它逐漸成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
其中，水凝膠微針因具有材料選擇靈活、生物相容性優(yōu)良，可以有效輸送親水性藥物等特點(diǎn)，有望成為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)面完美修復(fù)的理想敷料。但現(xiàn)有的水凝膠微針常利用合成或改性高分子通過交聯(lián)制得，工藝流程相對復(fù)雜；而天然高分子基水凝膠微針的穿刺力及其與創(chuàng)面的結(jié)合力較差，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。因此，針對上述問題，迫切需要開發(fā)一種具有濕組織粘附性和較強(qiáng)力學(xué)性能的水凝膠微針。
近日，西南大學(xué)蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院Bio-road生物醫(yī)用材料研發(fā)團(tuán)隊在《Advanced Fiber Materials》（影響因子：17.2）上發(fā)表了題為“Fiber-Reinforced Silk Microneedle Patches for Improved Tissue Adhesion in Treating Diabetic Wound Infections”的研究成果（DOI: 10.1007/s42765-024-00439-z）。該成果報道了載有表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）的纖維增強(qiáng)粘附微針貼片。通過引入甲酸-氯化鈣二元溶劑體系制備了具有濕組織粘附性的絲素蛋白水凝膠微針，以殼聚糖纖維為增強(qiáng)相提高了微針的機(jī)械性能和粘度，從而增加了微針與組織的物理纏結(jié)和保持形狀的能力。研究結(jié)果表明殼聚糖纖維的引入降低了微針?biāo)璧拇倘肓Γ揖哂袃?yōu)異的抗氧化和抗菌性能，可以有效改善糖尿病傷口的愈合。
在這項研究工作中，作者利用甲酸-氯化鈣溶劑體系溶解絲素蛋白，在溶液中引入載有EGCG的殼聚糖纖維，通過模板澆鑄法，再經(jīng)甲酸揮發(fā)和干燥成型后制得纖維增強(qiáng)的絲素蛋白微針（圖1）。此外，從圖中可以看出微針還可以被塑造成雙面針和三角形等異形微針，更適用于異形傷口的粘附。
圖1 纖維增強(qiáng)微針的制備工藝流程及顯微形貌
通過紅外光譜研究表明經(jīng)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)卷曲（圖2a-d）。拉曼光譜證實(shí)干態(tài)絲素蛋白吸水成凝膠后無規(guī)卷曲含量進(jìn)一步增加（圖2e-h），無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的增多使得絲素蛋白大分子間的自由體積及氫鍵作用力減弱，有利于其與皮膚組織表面形成新的相互作用力。接著通過紅外光譜和X射線光電子表面能譜測試表明了EGCG在殼聚糖纖維上的成功負(fù)載。流變實(shí)驗證實(shí)了微針具有較好的自愈合性能。
圖2 微針的結(jié)構(gòu)及流變性能表征
如圖3a-b所示，通過顯微鏡觀察了殼聚糖纖維在PBS中隨時間的形態(tài)變化，結(jié)果顯示當(dāng)吸水時間達(dá)到10 min時，殼聚糖纖維的直徑已經(jīng)增長至初始直徑的3倍（64 μm）。還構(gòu)建了瓊脂糖凝膠模型來實(shí)時監(jiān)測微針的膨脹行為，可以看出殼聚糖纖維的引入提高了微針的溶脹程度。通過有限元模擬了纖維增強(qiáng)對絲素蛋白微針刺入皮膚行為的影響。實(shí)驗和數(shù)值模擬結(jié)果均證實(shí)了殼聚糖纖維的引入降低了微針?biāo)璧拇倘肓Α挠邢拊茍D中可以看出絲素微針在刺入皮膚過程中針尖變形明顯，導(dǎo)致微針與皮膚的接觸面積增加，可能會進(jìn)一步增加與周圍組織的摩擦力，不利于微針刺入。而纖維增強(qiáng)微針在穿破皮膚角質(zhì)層后仍然保持針體結(jié)構(gòu)完整，說明殼聚糖纖維的引入賦予了絲素蛋白微針較好的機(jī)械強(qiáng)度。
圖3 微針的溶脹行為分析及有限元模擬
如圖4所示，纖維增強(qiáng)微針的粘附機(jī)理包括兩個方面：一是鈣修飾絲素蛋白固有的物理粘附特性，鈣離子通過金屬螯合作用實(shí)現(xiàn)對絲素蛋白無規(guī)卷曲鏈的交聯(lián)并作為水捕獲點(diǎn)。基于此，初始干態(tài)的微針可通過鈣離子從界面處捕獲水分子，從而轉(zhuǎn)變?yōu)楦彳浰z，實(shí)現(xiàn)與組織的緊密貼合。二是纖維增強(qiáng)介導(dǎo)的微針溶脹后與組織間的物理糾纏和機(jī)械互鎖。微針在插入皮膚組織后可以快速吸收界面水，建立與濕潤組織表面的接觸，并在界面處形成物理相互作用。
圖4 微針的粘附機(jī)理
如圖5所示，動物實(shí)驗結(jié)果表明，與商業(yè)敷料相比，SCEMN能夠更有效的改善糖尿病小鼠傷口愈合。病理組織學(xué)分析進(jìn)一步證實(shí)，SCEMN處理的傷口再上皮化程度更高、膠原沉積較好。免疫熒光結(jié)果顯示，在愈合前期，SCEMN能夠調(diào)控M1型巨噬細(xì)胞向M2型巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，并調(diào)控巨噬細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞因子的釋放水平。
圖5 微針的動物實(shí)驗驗證及病理學(xué)分析
西南大學(xué)蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院2021級碩士研究生王義鑫為本文第一作者，西南大學(xué)陸飛副教授為本文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、重慶市自然科學(xué)基金的資助
Bio-road研發(fā)團(tuán)隊一直專注于針對創(chuàng)面止血與促愈用材料、體內(nèi)溶栓藥物載體的研究，近三年課題組成員共主持包括國防項目，國家自然科學(xué)基金，重慶市科技攻關(guān)項目，重慶市自然科學(xué)基金在內(nèi)的10余項科研項目。在Advanced Functional Materials、Bioactive Materials、Chemical Engineering Journal等雜志上發(fā)表高水平SCI論文50余篇；已申請國家發(fā)明專利40項，其中已授權(quán)20余項。
本研究成果原文下載：：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00439-z