壳聚糖纳米纤维敷料通过增强血管生成与抗炎反应促进大鼠急性伤口愈合的机制研究

《Annals of Biomedical Engineering》：Chitosan Nanofibrous Dressing Increased Angiogenesis and Anti-inflammatory Response in an Acute Wound Model in Rats: A Comparative Study

本研究针对急性伤口愈合难题，开发了壳聚糖纳米纤维敷料（Chitosan NF）。通过大鼠全层皮肤缺损模型，发现该敷料能显著促进再上皮化（87.5% vs. 42.0%）、降低TNF-α水平、提高CD163+/CD68+巨噬细胞比值（0.28 vs. 0.62），并增强CD31+血管生成。该研究为新型伤口敷料设计提供了分子机制支持。

　　

急性伤口愈合一直是临床面临的重大挑战，不仅严重影响患者生活质量，还给医疗系统带来沉重负担。尽管现有治疗手段多样，但实现高效伤口愈合仍存在困难。伤口愈合是一个复杂的生理过程，涉及止血、炎症、增殖和重塑四个动态重叠阶段。然而，外部因素（如烧伤或感染）和内在因素（如年龄或疾病）可能阻碍愈合过程，甚至使其停滞在炎症阶段。因此，开发能够促进伤口愈合的创新方法至关重要。

过去二十年，生物工程构建体在促进快速、无并发症伤口愈合方面展现出巨大潜力。这些结构模拟结缔组织，增强炎症和组织重塑细胞的粘附与迁移。生物工程材料的结构和组成可以调节伤口内细胞成分之间的相互作用。壳聚糖作为一种天然阳离子线性聚合物，源自几丁质的脱乙酰化，是仅次于纤维素的第二大多糖。壳聚糖在伤口愈合中的功能行为受其脱乙酰度（DD）和分子量（MW）影响，这些参数会影响溶解度、降解速率和生物活性。

壳聚糖基敷料在伤口愈合中的有益作用已在众多临床前研究中得到证实，并有若干研究已进入临床试验阶段。各种形式的壳聚糖基材料，如水凝胶和水胶体，已通过不同机制评估其对伤口愈合过程的影响。通过静电纺丝和溶液吹塑等先进技术生产壳聚糖纳米纤维敷料，引入了低密度、纳米拓扑结构和模拟细胞外基质的三维多孔结构等独特特征。壳聚糖纳米纤维敷料已表现出优异的止血性能、抗氧化和抗菌活性，以及增强细胞增殖的能力，使其成为伤口治疗的高效材料。

尽管壳聚糖纳米纤维展现出广阔前景并被广泛研究，但其伤口愈合的确切细胞和分子机制尚未完全阐明。此外，在与商业敷料相同条件下对其伤口愈合功效的全面评估仍然缺乏。这种评估的缺失负面影响了壳聚糖纳米纤维敷料在市场上的广泛采用。

本研究旨在阐明壳聚糖纳米纤维敷料愈合能力的细胞和分子机制，重点关注炎症和血管生成通路。我们在大鼠急性全层伤口模型中分析了伤口愈合的组织学和生物学标志物。为进行比较，我们使用了PriMatrix真皮修复支架（Integra LifeSciences, USA），该支架源自脱细胞胎牛真皮，主要成分为III型胶原。PriMatrix是多年来多种临床环境中复杂皮肤伤口最常采用的治疗方法之一，提供富含胶原的基质以支持细胞生长。Tegaderm透明聚氨酯薄膜（3M, USA）不含辅助治疗剂，用作 chitosan 和 PriMatrix 治疗伤口的辅助敷料；对于无额外治疗的伤口，它作为唯一敷料。

研究人员通过毛细管静电纺丝技术制备了壳聚糖纳米纤维敷料，并对其溶胀和降解行为进行了体外评估。使用39只Sprague Dawley大鼠，根据敷料类型分为三组：（1）壳聚糖纳米纤维敷料+透明薄膜；（2）商业支架（PriMatrix）+透明薄膜；（3）仅透明薄膜（对照组）。在大鼠背部制作全层伤口（2 cm × 2 cm），进行夹板固定并覆盖敷料。在术后第7、14和21天进行评估，包括组织学分析、伤口中TNF-α和iNOS水平的测量。

主要技术方法包括：1）通过毛细管静电纺丝技术制备壳聚糖纳米纤维敷料；2）建立大鼠全层皮肤缺损模型并采用夹板抑制伤口收缩；3）使用组织学（H&E染色）和免疫组织化学（CD31、vimentin、CD68、CD163标记）分析伤口组织；4）通过ELISA法测量伤口组织中TNF-α和iNOS浓度；5）使用半自动定制软件进行图像分析和形态计量学评估。

再上皮化过程

新形成的表皮与下方的肉芽组织分开分析，以清晰 delineate 上皮边界和可视化上皮厚度。接受支架敷料治疗的动物显示，与壳聚糖NF组相比，伤口开放长度显著更大（第7、14、21天p=0.006、0.021、0.015）。壳聚糖NF和透明敷料组之间在伤口开放长度上没有显著差异。到第21天，壳聚糖NF治疗组的新表皮覆盖面积达到87.5%，显著高于支架组的42.0%（p=0.03）。表皮面积评估显示，在第21天，壳聚糖NF治疗组的新表皮面积比支架组显著增强（p=0.03）。

TNF-α和iNOS浓度

在第7天，壳聚糖治疗组伤口组织中的TNF-α蛋白水平显著低于透明敷料组（p=0.013）。到第21天，壳聚糖NF敷料组的TNF-α浓度显著低于透明敷料组（983.2±62.4 pg/ml vs. 1677.7±59.4 pg/ml，p<0.001）。iNOS酶水平在第7天时，接受壳聚糖治疗的大鼠显著高于透明敷料组（p=0.026）。

血管生成与肉芽组织中的巨噬细胞密度

CD31免疫染色显示，在第21天，壳聚糖NF敷料治疗组的肉芽组织微血管数量显著高于透明敷料组（p=0.045）。免疫组织化学分析显示，支架组的CD68⁺密度显著高于壳聚糖NF组（p=0.037）和透明敷料组（p=0.039）。壳聚糖NF敷料治疗组的CD68⁺/CD163⁺比率显著低于支架组（p=0.04）。

**

再上皮化和表皮更新的定性评估

在壳聚糖NF和透明敷料组中，到第21天再上皮化几乎完成，有新形成的表皮层。而在支架组中，这一过程明显延迟。壳聚糖NF和透明敷料组显示正常的表皮更新，角质层与下方的颗粒层分离；而支架组的表皮层没有明显的更新，角质层仍与颗粒层融合。

研究结论表明，壳聚糖纳米纤维敷料通过调节新生血管形成、减少炎症反应以及向抗炎巨噬细胞状态转变，改善了大鼠全层急性伤口模型的伤口愈合。这种有利效果与新生血管形成的调节、炎症反应的减少以及向抗炎巨噬细胞状态的转变有关。

壳聚糖NF敷料通过促进再上皮化和表皮更新，显示出优于商业生物活性支架的性能，与透明敷料具有相当的效果。其促进血管生成和细胞增殖的能力比透明敷料更强，这与iNOS水平的增加有关，iNOS酶在激活血管生成通路中起关键作用。此外，壳聚糖NF敷料通过降低CD68⁺/CD163⁺巨噬细胞比率和TNF-α蛋白水平，增强了抗炎反应，表明伤口微环境从促炎状态向抗炎状态转变。

这些发现表明，壳聚糖NF敷料有潜力作为一种经济有效的疗法，用于治疗受损伤口愈合。医疗级壳聚糖每公斤成本仅几百美元，可加工成约80平方米的敷料，且只需一步使用标准工业设备即可完成加工。这使其成为活体组织衍生真皮修复材料的高度经济替代品，后者每平方英寸成本可能高达数千美元。然而，进一步的临床前研究验证对于确认其安全性、功效和临床潜力仍然至关重要。

研究的

研究的局限性包括使用年轻Sprague Dawley大鼠作为模型生物，可能无法准确模拟典型人类伤口条件；研究聚焦于年轻动物，未考虑年轻和老年人群的差异；急性伤口模型未能捕捉糖尿病、血管疾病和免疫系统障碍等慢性合并症；缺乏真正的阴性对照组（即未治疗伤口）；无法精确测量伤口面积等。未来研究应优先纳入精确的伤口面积测量，以实现更全面和详细的愈合过程评估。

该

该研究由内布拉斯加大学奥马哈分校生物力学系和内布拉斯加大学医学中心外科系的研究团队完成，发表在《Annals of Biomedical Engineering》上，为新型伤口敷料的开发提供了重要的临床前数据和支持。