南工陈苏团队Adv.Sci.：微流控同轴静电纺丝构建核-壳凝胶纳米纤维人造皮肤

由于皮肤复杂的创伤修复过程和微环境，创伤修复与再生是组织工程的研究重点，亦是全球生命健康领域的难题。因此，开发人造皮肤新材料创建细胞增殖的微环境以加快伤口愈合是组织工程领域的前沿课题之一。“软湿”水凝胶和纳米纤维支架材料因其结构或功能与天然皮肤类似而被广泛应用。然而目前将凝胶与纳米纤维有效结合，构建核-壳凝胶纳米纤维人造皮肤仍然是挑战。

针对上述挑战，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授与安徽工程大学刘吉东博士，创新性地采用同轴静电纺丝技术构建了核-壳凝胶纳米纤维人造皮肤材料，为加速伤口愈合提供了良好的微环境并加速组织再生（微流控同轴静电纺丝设备由南京捷纳思新材料有限公司提供）。该工作首先采用微流控同轴静电纺丝技术构筑了核-壳型羧甲基纤维素钠-铁离子络合物/聚乙烯醇@PCL-姜黄素（CMC-Fe/PVA@PCL-Cur）凝胶-纳米纤维，由于微流控技术的精确可控及高效传质特性，该方法实现了核壳凝胶纳米纤维微观结构的精确调控。该核壳凝胶纳米纤维人造皮肤材料兼具凝胶和纳米纤维的优势，具有优异的透气性、高孔隙率、大比表面积以及湿润微环境，同时其具有生物相容性、可生物降解性、药物释放能力和抗菌性能。此外，基于羧甲基纤维素钠（CMC-Na）和Fe3+的快速螯合作用，该人造皮肤表现出优异的力学性能和应变敏感性（皮肤的感觉功能）。这种核壳凝胶纳米纤维人造皮肤为伤口愈合提供了理想的微环境，可以大大加快创面愈合和组织再生。该工作提出了一种微流控同轴静电纺丝构建核-壳凝胶纳米纤维人造皮肤的新方法，可以精确实现成分控制与微结构调控，为高性能人造皮肤的构建开辟了新途径。

该研究成果于近日发表在被国际重要刊物《Advanced Science》上（“Core-shell gel nanofiber scaffolds constructed by microfluidic spinning towards wound repair and tissue regeneration”）。南京工业大学博士研究生董岳为第一作者。南京工业大学陈苏教授、安徽工程大学刘吉东博士为通讯作者。该课题得到了国家自然科学基金、江苏省高校优势学科建设工程、安徽省高校自然科学研究重点项目、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。

图1、微流控静电纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司和南京贝耳时代科技有限公司联合研发）。

·纺丝化学—受限空间内原位反应合成纳米材料；

· 结构设计—微通道限域组装实现微尺度下结构调控；

· 过程强化—多个微流控芯片协同，提升生产效率；

图2、a)本研究制备的核-壳凝胶纳米纤维支架与传统方法的比较示意图，b)微流控静电纺丝法制备核-壳凝胶纳米纤维支架示意图，c)核-壳凝胶纳米纤维支架作为人造皮肤应用于创面修复和组织再生过程示意图。

图3、a) CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维的SEM图。b)核-壳CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维示意图及TEM图。c-e)凝胶纳米纤维支架的SEM图。f)凝胶纳米纤维支架的表面润湿性和透气性示意图。CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维和凝胶纳米纤维支架的g)接触角和h)吸水率。CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维、凝胶纳米纤维支架和凝胶包覆PCL-Cur纳米纤维的i)氮渗透率和j) WVTR。

图4、 a)凝胶纳米纤维支架在不同角度弯曲的光学图像。b) 凝胶纳米纤维支架承受高达800克重量而不断裂的光学图像。纯PCL-Cur纳米纤维和凝胶纳米纤维支架的c)应力-应变曲线和d) 杨氏模量。e)凝胶纳米纤维支架传感器的相对电阻随外加应变的变化。f) 凝胶纳米纤维支架传感器的响应时间和恢复时间。不同g) 应变和h)拉伸速度下凝胶纳米纤维支架传感器的相对电阻变化。i) 凝胶纳米纤维支架传感器在40次循环弯曲过程中的相对电阻变化。凝胶纳米纤维支架传感器在j) 手指弯曲，k)手腕弯曲，l) 手臂弯曲时的相对电阻变化。

图5、a)培养24 h和48 h后NIH/3T3细胞在CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维和凝胶纳米纤维支架中增殖的荧光显微图。b) 24 h和48 h后不同样品的细胞活力分布。c)药物释放过程机制。d) CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维和凝胶纳米纤维支架对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌性能。不同样品孵育后e)大肠杆菌和f)金黄色葡萄球菌菌落数量。g)大肠杆菌和h)金黄色葡萄球菌混悬液与不同样品孵育的OD600值随时间的变化。

图6、a)创面愈合过程机理图。b) PBS、CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维和凝胶纳米纤维支架处理伤口的光学照片。c) 0、3、7、14天模拟创面收缩。d)不同样品处理后伤口面积随时间的变化。e)不同样品处理14天后伤口愈合面积。

图7、PBS、CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维和凝胶纳米纤维支架处理后再生组织的a) H&E染色和b) Masson染色图像。c)胶原沉积的定量统计。d) CD31密度的定量统计。PBS、CMC-Na/PVA@PCL纳米纤维和凝胶纳米纤维支架处理后再生组织的e) CD31染色和f) CD68染色图像。g) CD68密度的定量统计。

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来源：高分子科学前沿

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