掺铜硼硅酸盐生物活性玻璃涂层改性的细菌纤维素功能性敷料，用于糖尿病溃疡的治疗

《BMEMat》：Copper-doped borosilicate bioactive glass coating modified bacterial cellulose functional dressing for diabetic ulcer

糖尿病溃疡治疗需求及BC材料特性分析，通过溶胶-凝胶法在BC纳米纤维表面构建铜掺杂硼硅酸盐生物活性玻璃涂层，优化了机械强度（提升20%-30%）、抗菌率（对MRSA达85%以上）及血管生成能力，体内实验证实其能显著加速伤口愈合并抑制炎症反应。

　　本研究聚焦于开发一种新型的细菌纤维素（BC）功能敷料，通过引入铜掺杂的硼硅酸盐生物活性玻璃（BBG）涂层，旨在解决糖尿病溃疡等慢性伤口治疗中的关键问题。细菌纤维素因其独特的纳米纤维网络结构和优异的物理化学性能，被广泛认为是理想的伤口敷料基材。然而，其天然状态缺乏生物活性位点，导致在实际应用中仅能提供物理屏障，难以有效应对慢性伤口复杂的微环境，如细菌感染、炎症反应和组织修复过程中的各种挑战。因此，本研究通过溶胶-凝胶合成与水解反应的方法，成功地在BC纤维表面构建了一种铜掺杂的BBG涂层，从而形成具有多重功能的敷料材料——铜掺杂BBG修饰的BC（Cu²⁺@BBG/BC）。这种材料不仅保留了BC原有的纳米多孔结构和高孔隙率，还显著提升了其机械性能、抗菌能力、抗炎效果以及促进血管生成的潜力，为糖尿病溃疡的治疗提供了创新性的解决方案。

### 1. 研究背景与意义

糖尿病作为一种全球范围内的代谢性疾病，严重影响着数亿人的健康。其中，糖尿病溃疡是该疾病最严重的并发症之一，其伤口环境复杂，通常伴随着高血糖、血管病变、神经病变、细菌感染和持续性炎症反应等病理变化，这些因素共同阻碍了伤口的正常愈合过程。因此，针对糖尿病溃疡的敷料材料不仅需要具备良好的物理性能，还必须具备一定的生物活性，以应对感染和炎症，促进组织修复。

细菌纤维素作为一种天然的动物来源纤维素，由非致病性需氧细菌如*Acetobacter xylinum*合成。其纳米纤维网络结构使其在模拟皮肤组织的细胞外基质方面具有独特优势，能够有效防止外部细菌的侵入，同时其高吸水性和透气性有助于清除组织渗出液，维持伤口湿润环境，从而促进肉芽组织的生长。然而，由于缺乏生物活性位点，纯BC敷料在处理感染性伤口方面存在明显局限。近年来，研究者们通过多种手段将生物活性物质引入BC材料中，以增强其功能性和治疗效果，成为该领域的热点研究方向。

生物活性玻璃（BG）自20世纪70年代由Larry Hench教授提出以来，已被广泛应用于组织工程领域。其主要生物学功能包括诱导羟基磷灰石层的形成，以及通过释放多种离子刺激细胞活性。研究表明，硅氧四面体（SiO₄^4?）离子能够促进血管生成，而硼酸三价离子（BO₃^3?）则有助于调节巨噬细胞功能，从而减轻炎症反应。因此，硼硅酸盐生物活性玻璃（BBG）在慢性伤口修复中展现出巨大的应用潜力。

尽管已有研究尝试将BG与BC结合，但大多数方法导致BC纳米结构被破坏或部分渗透，从而影响了其作为敷料的功能。例如，Abdulraof等人通过将生物活性玻璃纳米颗粒引入BC培养液中，制备了BC/NBG纳米复合材料；Xiao等人则利用膜液界面培养法，构建了具有多孔结构的BG/BC复合支架。然而，这些方法在一定程度上改变了BC原有的纳米纤维网络结构，可能影响其生物相容性和功能特性。

本研究旨在通过溶胶-凝胶技术与水解反应，开发一种具有稳定结构的铜掺杂BBG涂层，从而在不破坏BC原有结构的前提下，提升其生物活性。研究结果表明，该方法成功地在BC纤维表面形成了连续且稳定的BBG涂层，同时保留了BC的纳米多孔网络结构和高孔隙率。这种结构不仅有助于保持材料的高吸水性，还为后续的机械性能提升和生物活性增强奠定了基础。

### 2. 材料结构与性能分析

通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对材料表面结构进行了详细表征。结果表明，BBG涂层的引入并未破坏BC的纳米纤维网络结构，反而在一定程度上增加了纤维的直径和表面粗糙度。例如，BBG/BC的纤维直径从原始BC的45.7 ± 13.1 nm增加到57 ± 22 nm，而铜掺杂的BBG/BC材料（如Cu²⁺@BBG/BC-0.38）的纤维直径进一步增加至64 ± 15 nm。这表明，BBG和铜离子的引入在不破坏BC结构的前提下，显著增强了其物理特性。

在热稳定性方面，研究采用热重分析（TG）对材料进行了评估。结果显示，BC在氮气气氛下的热分解分为两个阶段：第一阶段（30–95°C）主要是水分蒸发，而第二阶段（307–388°C）则涉及BC分子的解聚、脱水和葡萄糖环的分解。与纯BC相比，BBG/BC的初始热分解温度提升了约250°C，且峰值分解温度超过300°C，说明BBG涂层显著增强了BC的热稳定性。此外，铜掺杂BBG/BC材料在热稳定性方面表现出与BBG/BC相似的趋势，表明其热性能依然良好。

材料的吸水性也是评估其作为敷料性能的重要指标。研究表明，BC具有极高的吸水能力，可达88 g/g，这与其高孔隙率和良好的亲水性密切相关。然而，BBG涂层的引入导致其吸水能力略有下降，仅为60 g/g，但仍满足临床应用的需求。铜掺杂BBG/BC材料的吸水性与BBG/BC相近，表明铜离子的引入对吸水性能影响较小。此外，所有BBG修饰的BC材料均表现出较快的吸水速率，能够在30分钟内吸收大部分水分，这有利于维持伤口湿润环境，促进组织修复。

### 3. 抗菌性能与生物相容性

抗菌性能是评价敷料功能的重要方面。研究通过细菌平板计数法评估了不同材料对细菌的抑制效果。结果表明，纯BC敷料在MRSA感染的伤口中表现出较差的抗菌能力，而BBG/BC材料的抗菌效果有所提升，但仍未达到理想水平。相比之下，铜掺杂BBG/BC材料（尤其是Cu²⁺@BBG/BC-0.38）表现出显著的抗菌性能，其对MRSA的抑制率高达85%。进一步的扫描电镜（SEM）观察发现，铜掺杂BBG/BC材料表面的细菌数量明显减少，且部分细菌细胞壁出现破裂现象，表明其具有良好的抗菌能力。

为了评估材料的生物相容性，研究采用CCK-8试剂盒检测了NIH3T3细胞的活性。结果显示，BBG/BC材料的细胞活性显著优于纯BC，表明其具有良好的细胞相容性。铜掺杂BBG/BC材料的细胞活性则与BBG/BC相近，其中Cu²⁺@BBG/BC-0.21和Cu²⁺@BBG/BC-0.38表现出良好的细胞支持性，而Cu²⁺@BBG/BC-0.7由于铜离子含量过高，导致细胞活性显著下降，表明其存在一定的细胞毒性。因此，研究确定了Cu²⁺@BBG/BC-0.38为最优配方，其在抗菌性能、细胞相容性和抗炎能力方面均表现出良好效果。

### 4. 抗炎性能与组织修复能力

炎症反应是糖尿病溃疡愈合过程中的重要障碍，主要表现为促炎因子如TNF-α和IL-1β的过度释放，以及抗炎因子如TGF-β的减少。研究通过ELISA检测了不同材料对巨噬细胞的影响，发现BBG/BC材料能够显著降低TNF-α和IL-1β的表达水平，同时提高TGF-β的分泌量，表明其具有良好的抗炎性能。进一步的免疫组化分析显示，Cu²⁺@BBG/BC-0.38材料在Day 8时表现出最低的TNF-α表达和最高的TGF-β表达，表明其能够有效调控炎症反应，为组织修复创造有利的微环境。

此外，材料的促血管生成能力也得到了验证。通过检测VEGF（血管内皮生长因子）的分泌水平，发现Cu²⁺@BBG/BC-0.38材料的VEGF表达量显著高于纯BC和BBG/BC材料。这表明，铜离子和硅酸盐离子的协同作用能够有效促进血管生成，从而加速伤口愈合过程。同时，CD31的免疫荧光检测进一步支持了这一结论，Cu²⁺@BBG/BC-0.38材料在Day 8和Day 16时均表现出更高的CD31表达水平，说明其具有良好的血管生成能力。

### 5. 体内实验与组织修复效果

为了验证Cu²⁺@BBG/BC-0.38材料在实际应用中的效果，研究团队构建了糖尿病小鼠的全层皮肤损伤感染模型，并观察了不同材料对伤口愈合的影响。结果表明，纯BC敷料在感染情况下表现出较差的愈合效果，其愈合率在Day 16时仍低于70%。而对照组使用银掺杂的商业敷料后，伤口愈合率显著提高，达到80%。相比之下，Cu²⁺@BBG/BC-0.38敷料在Day 16时实现了完全愈合，表现出最佳的伤口修复效果。

进一步的组织学分析显示，Cu²⁺@BBG/BC-0.38材料在伤口表面诱导了更丰富的胶原沉积和血管生成。Masson三色染色结果表明，该材料在Day 8时表现出最高的胶原沉积水平，而定量分析也证实了其胶原沉积量显著高于纯BC材料。此外，CD31的表达水平在Cu²⁺@BBG/BC-0.38材料中显著增加，说明其能够有效促进血管生成，为组织修复提供充足的血液供应。

### 6. 结论与展望

综上所述，本研究成功开发了一种铜掺杂的硼硅酸盐生物活性玻璃涂层修饰的细菌纤维素功能敷料。该材料不仅保留了BC原有的纳米多孔结构和高吸水性，还通过引入铜离子和BBG涂层，显著提升了其抗菌性能、抗炎能力、细胞相容性以及促血管生成的潜力。体外和体内实验结果均表明，Cu²⁺@BBG/BC-0.38材料在糖尿病溃疡的治疗中表现出优异的性能，能够有效抑制细菌感染，调节炎症反应，促进胶原沉积和血管生成，从而显著加速伤口愈合。

本研究为细菌纤维素材料的表面改性提供了新的思路和方法，同时也为慢性伤口的治疗提供了具有临床应用前景的新型敷料。未来的研究可以进一步优化铜离子的掺杂比例，以在抗菌性能和细胞毒性之间取得更好的平衡。此外，还可以探索该材料在其他类型慢性伤口中的应用潜力，如压疮、烧伤等。通过持续改进材料的性能，有望将其推广至更广泛的临床场景，为伤口护理领域带来革命性的突破。