纳米纤维增强双向Janus光热微针阵列通过非共价协同网络实现糖尿病伤口的精准治疗

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Robust self-pumping medical microneedle arrays by nanofiber-reinforced non-covalent cooperative networks

本研究针对糖尿病伤口治疗中渗出液定向管理与药物递送的难题，受仙人掌刺集水机制和棘蜥饮水行为启发，开发了一种纳米纤维素增强的双向Janus光热微针阵列（CBJMN）。该体系通过非共价协同键合网络构建具有光热转换功能的纳米纤维增强微针，结合双向Janus背衬层实现药物与渗出液的错流传输。研究表明CBJMN在维持足够机械强度（杨氏模量638.17 MPa）的同时，具备广谱抗菌（对MRSA/ESBL(+)/C. albicans的杀菌率>99.99%）、活性氧清除（对·O2-/·OH/H2O2/DPPH清除率显著）和微环境调控功能，动物实验显示其可促进血管新生（VEGF表达上调）并加速伤口愈合（14天愈合率达99.5%）。该研究为糖尿病伤口精准治疗材料设计提供了创新策略。

　　

糖尿病伤口愈合是临床面临的重大挑战，其复杂的病理微环境包括持续渗液、细菌感染、活性氧（ROS）累积和血管生成受损等相互关联的障碍。传统光热微针（PTMN）在糖尿病伤口治疗中虽展现出潜力，但过量渗出液会耗散近红外（NIR）光产生的热量，迫使提高光功率或光热剂浓度，带来生物毒性风险。同时，现有Janus微针阵列（JMN）的单向传输机制与药物递送方向相冲突，且持续泵送可能导致伤口过度脱水，破坏愈合所需的湿润微环境。

受仙人掌刺集水能力和棘蜥饮水策略启发，广西大学研究团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表研究，设计了一种纳米纤维素（CNF）增强的双向渗出液传输Janus光热微针阵列（CBJMN）。该体系通过仿生设计实现渗出液定向排出与药物精准递送的协同管理，为糖尿病伤口精准治疗提供新方案。

关键技术方法包括：1）通过顺序接枝聚乙烯亚胺（PEI）和2,3,4-三羟基苯甲酸（TA）制备光热剂CNF-PEI-TA；2）利用硼酸酯键合构建葡萄糖响应型药物载体CNF-ABBA-EGCG；3）采用微模塑技术集成双向Janus背衬层（含药物递送区和紫外可逆诱导泵送区）；4）通过有限元模拟（FEM）优化微针几何参数（30°锥角/15μm针尖直径）；5）选用临床分离的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和产超广谱β-内酰胺酶大肠杆菌（ESBL(+)）建立感染糖尿病伤口模型。

研究结果与讨论：

制备与表征

CBJMN采用自上而下微模塑技术制备，微针呈20×20阵列排列，单针基径250μm、高600μm。有限元分析显示30°针尖可产生1.43×10⁴N/m²的瞬时应力，优于常规角度。XPS证实界面处硼元素梯度分布，支撑双向传输功能。在980 nm NIR照射下（0.8 W/cm²），体系可实现快速温升（180秒内ΔT=15.4℃）和精准控温（45.9±0.8℃维持15分钟）。

力学性能

CNF增强使CBJMN杨氏模量达638.17 MPa，为表皮穿透阈值（35 MPa）的18.2倍。压缩测试显示其断裂力为0.29 N/针，韧性达0.22±0.02 MJ/m³。分子动力学模拟揭示氢键（-O...H-、-N...H-）和静电相互作用构成非共价协同网络，尿素和NaCl破坏实验证实氢键主导强度贡献，静电相互作用影响韧性。

自泵送与药物回流

实时接触角观测显示液滴在自泵送区经历捕获-传输-合并过程，9.5秒内完成从针尖到Janus膜的定向移动。Laplace压力（F1=γ(1/R1-1/R2)S1）和Janus膜润湿性梯度驱动渗出液外排，而药物回流区通过重力实现活性分子回收。紫外照射可逆调控泵送通路的开闭，维持微环境湿润度。

抗菌与生物膜清除

对临床分离多药耐药菌（ESBL(+)耐药率54.6%），CBJMN+NIR组抗菌效率>99.99%，显著高于单一功能组。晶体紫染色和扫描电镜（SEM）显示其可破坏MRSA生物膜结构，激光共聚焦（CLSM）活/死染色呈现优势红色荧光。

抗氧化特性

CBJMN对·O₂^-/·OH/H₂O₂/DPPH清除率呈浓度依赖性，其中表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）起主导作用。细胞内ROS检测显示CBJMN处理组荧光强度与空白组相当，有效缓解氧化应激。

生物相容性

急性系统毒性实验显示小鼠体重稳定增长，溶血率<5%。志愿者试验证实其在足三里等穴位应用时视觉触觉评分优异（关键词云显示"无痛""便捷"）。长期NIR照射（20天）后皮肤组织学无异常。

体内伤口愈合

糖尿病全层伤口模型显示，CBJMN+NIR组3天伤口闭合率达29.5%（对照组4.9%），14天达99.5%。H&E和Masson染色显示成熟表皮结构和胶原沉积，水含量检测证实水肿缓解。免疫荧光分析发现IL-6表达下调，VEGF和α-SMA/CD31共表达增强，M1/M2巨噬细胞比例随时间下降。

研究结论表明，CBJMN通过仿生设计实现渗出液定向管理与药物精准递送的协同，其力学性能源自CNF增强的非共价协同网络，多功能集成涵盖抗菌、抗氧化、免疫调节和血管新生促进等多重机制。该工作为糖尿病伤口精准治疗材料设计提供了新范式，桥接了仿生材料设计与临床转化间的鸿沟。