静电纺丝海藻酸钠-细菌纤维素纳米复合支架的制备与表征及其在伤口敷料中的应用潜力

本综述系统介绍了静电纺丝技术制备海藻酸钠（SA）-细菌纤维素（BC）纳米复合支架的创新方法及其在伤口敷料领域的应用前景。研究通过钙离子交联和BC表面涂覆策略，成功解决了传统BC-聚合物复合材料的结构完整性难题。该支架展现出均匀的纳米纤维结构、优异的机械性能（杨氏模量1.99 MPa）和热稳定性（高于生理温度），其性能与商业敷料Aquacel Extra和Kaltostat相当。FTIR证实功能基团保留，DSC显示良好结晶行为，溶解度测试表明在水合条件下具有92%以上的涂层稳定性。这项工作为开发低成本、生物功能化的新一代伤口护理平台提供了重要技术路径。

　　

引言

人类皮肤作为人体最大的器官，在保护内部系统免受有害外部因素、调节温度和支持身体自然修复机制方面起着至关重要的作用。由于皮肤持续暴露于外界环境，极易受到从轻微割伤到慢性伤口等各种损伤。虽然身体在受伤后会启动愈合反应，但环境污染物如细菌、灰尘和污染物可能会阻碍这一过程，特别是在伤口暴露的情况下。因此，对不仅能保护而且能主动促进伤口愈合过程的敷料材料的需求日益增长。

随着生物医学科学的进步，伤口护理策略正转向更具功能性和生物活性的材料。现代伤口敷料除了覆盖功能外，还应提供透气性、灵活性、强大的机械支持和有利于细胞再生和组织修复的湿润环境。传统敷料如棉纱布虽然价格低廉，但在这些方面往往不足。它们容易快速干燥，需要频繁更换，并且缺乏抗菌或药物输送能力，这可能延缓愈合并增加感染风险。

方法

材料

海藻酸钠（SA）粉末、聚环氧乙烷（PEO）（分子量：300,000 g/mol）粉末、无水乙醇（99.96%，密度：0.79 Kg/L）溶液和无水氯化钙颗粒盐（≤7.00 mm，≥93%，分子量：110.98 g/mol）均来自曼彻斯特大学聚合物化学制备实验室，由Sigma–Aldrich（英国）提供。细菌纤维素（BC）水悬浮液由Royce研究所实验室（曼彻斯特大学）提供。所有化学品均未经进一步纯化直接使用。

SA/PEO溶液制备

PEO作为载体聚合物用于制备静电纺丝溶液。文献先例和初步试验表明，纯SA或较高比例的SA（例如80:20 SA:PEO）会导致静电纺丝过程中射流不稳定。这种混合比导致静电纺丝不稳定，明显表现为过多的珠粒形成。因此，选择70:30的比例以在最大SA整合和保持工艺可行性之间取得最佳平衡。

采用两种不同的方法制备溶液，即方法1（M1）和方法2（M2）。M1涉及使用磁力搅拌器（在室温下，搅拌速率220 rpm）将SA和PEO一起溶解在水中，得到5% SA/PEO（70:30）溶液。为此，将0.35 g SA和0.15 g PEO，总计0.5 g固体粉末，一步溶解在10 mL蒸馏水中。另一方面，M2是一个两步过程。第一步将SA和PEO分别溶解在蒸馏水中，第二步合并。分别制备6% SA溶液（0.6 g SA粉末溶解在10 mL水中）和4% PEO溶液（0.4 g PEO粉末溶解在10 mL水中），使用磁力搅拌器在室温下以220 rpm搅拌速率进行6-8小时。随后，将溶液以70:30（SA:PEO）的比例混合，使用磁力搅拌器在室温下以220 rpm搅拌速率过夜搅拌。对于前两次静电纺丝试验（试验1和2），遵循溶液制备程序M1，而对于其余试验（试验3-6），采用M2。

静电纺丝

纺丝过程在静电纺丝设备（TONG LI CO TECH，中国）上进行。静电纺丝的主要处理参数包括输入流速（mL/h）、施加电压（KV）、收集器距离（cm或mm）、针头尺寸（规格）和收集器旋转速度（rpm），这些参数会立即影响纤维形成稳定性、尺寸、溶剂蒸发、聚合物吞吐量和机械拉伸，从而决定最终的支架特性。该设备正电压容量为0-30 KV，负电压容量为0至-5 KV。将均匀的SA/PEO（70:30）溶液装入20 mL注射器中，不锈钢针头固定在扫描头上。在调整优化参数之前进行了六次试验，以确保静电纺丝射流的平稳稳定注入。将沉积有电纺纳米纤维的纸小心取下，在室温下干燥24小时。

交联

将收集的电纺垫浸入纯乙醇中1分钟，然后在0.5% CaCl₂溶液（用水和乙醇以80:20比例制备）中浸泡10秒进行交联。交联后，将垫在室温下风干24小时。使用去离子水进行溶解度测试，以确保交联过程成功。将原始和交联样品浸入水中观察其溶解行为。

细菌纤维素涂层

将BC悬浮液放入培养皿中，无需任何额外制备。将交联的SA纳米纤维垫浸涂在涂层溶液中。测试了不同的浸涂时间，以根据表面形态观察记录优化的涂层持续时间。涂层后，取出纤维垫并沥干，然后在室温下悬挂干燥24小时。

为了评估涂层效率，使用精密分析天平（±0.01 mg）记录交联SA/PEO垫在BC涂层前后的干重。涂层和干燥后，重新称重样品，并计算每单位面积的质量差（mg/cm²）。为了评估涂层稳定性，将涂层样品在去离子水中浸渍5分钟，在静态条件下干燥后重新称重，以确定浸渍后保留的BC百分比。所有测量均进行三次重复（n=3）。

形态和尺寸

作为扫描电子显微镜（SEM）的制备步骤，使用精密溅射镀膜设备（Q150T ES，Quorum Technologies Ltd，英国）对样品进行金镀膜。使用40 mA电流溅射镀上一层5 nm厚的Au/Pd（80:20）在纳米纤维表面。使用SEM（Ultra 55，ZEISS，德国）在1.5 kV加速电压和7.3-2.9 mm工作距离下分析原始、交联、BC涂层纳米纤维垫的表面形态。将所有三个阶段的纳米纤维垫切成0.5 cm × 0.5 cm尺寸，并使用碳胶带固定在存根上。在50,000、100,000、200,000和400,000倍放大倍数下观察图像。此外，使用Image J软件的线功能随机测量SEM图像中的50个位置，以确定平均纳米纤维直径和孔径。对原始、交联和BC涂层的SA/PEO样品进行比较分析，以确定交联和涂层如何影响平均直径和孔径。

傅里叶变换红外（FTIR）光谱

使用光谱仪（Platinum ATR FTIR，Bruker Technologies，英国）配备ATR（衰减全反射）附件，对所有三个阶段的样品进行FTIR分析，以检查原始SA/PEO纳米纤维交联和涂层后的官能团和化学结构变化。将样品放在隔室底板上，在400至4000 cm^?1照射范围内记录光谱图。

机械分析

使用数字厚度计测量样品的厚度，以深入了解每个连续步骤中发生的结构修改。它进一步有助于理解它们的转变性质、可能的原因和这种处理的后果。根据ASTM D882-10标准指南，检查原始、交联和BC涂层SA/PEO纳米纤维垫的机械强度，该标准适用于厚度小于1.0 mm的薄膜型样品。将样品切成25 mm × 5 mm尺寸，确定标距长度为25 mm。将样品放置在Instron [3344L3928]通用测试系统（Instron，英国）的夹爪之间，容量为2 kN。由于样品轮廓较薄，使用定制的纸窗框安装以确保在测试装置中安全放置。此外，从模块配置中选择10 N负载单元以适应样品的低力阻力特性。设置应变速率为5 mm/min，并研究应力-应变曲线、拉伸强度（MPa）、断裂伸长率（%）和杨氏模量（MPa）。对三组样品的应力-应变曲线、杨氏模量、最大应力（MPa）和断裂应变（%）、无破裂吸收的最大力（N）和位移（mm）进行比较分析。

差示扫描量热法（DSC）热分析

使用DSC设备（Q100，TA Instruments，英国）对所有三个阶段（原始SA/PEO、交联SA/PEO和BC涂层SA/PEO纳米纤维垫）进行DSC，以研究在热条件下的行为。具体研究样品的热转变（熔融）温度（Tm）、转变能量需求和结晶行为。将7.1 mg（原始）、5.3 mg（交联）和3.7 mg（BC涂层）样品密封在三个单独的铝制密封盘中，使用压紧装置紧密关闭盖子。一个测试周期包括同时比较一个空参考盘和一个样品盘。放置两个盘后，在0°C至300°C温度之间以10°C/min的加热速率运行加热-冷却-加热循环。

溶解度研究

根据BS EN 13726-1:2002，将电纺SA/PEO样品浸入去离子水中评估其溶解行为。该标准规定了伤口敷料的关键测试方法，并特别强调评估水凝胶型敷料材料的溶解度或分散特性。该实验旨在评估敷料材料在模拟高渗出条件下的稳定性，其中流体覆盖超过敷料表面的75%。对标准程序进行了轻微修改，用去离子水作为测试介质。进行视觉评估以评估材料的行为和实验结果。

结果与讨论

SA/PEO静电纺丝和参数优化

进行了一系列广泛的实验试验，以确定以均匀纤维分布和一致纤维直径为特征的优化参数。优化过程涉及调整几个关键参数，如溶液粘度、进料速度、针头规格、收集器速度、输入电压和针头到收集器的距离。

在静电纺丝过程中，施加电压被确定为影响纤维形成的最关键参数。将电压从+23 kV增加到+24.92 kV，同时精确保持其他条件，改善了纤维直径和沉积均匀性。较低的电压导致从针尖 irregular 流动，强调了电压在确保稳定射流形成中的作用。此外，将进料速率从0.4增加到2.0 mL/h以及电压调整有助于减少珠粒形成。收集器速度在200至400 rpm之间变化，在300 rpm时观察到最佳结果；超过此速度会导致流动扰动增加。重复试验确认300 rpm为最有效设置。使用较大针头直径会在针尖产生液滴积累，对过程产生负面影响，而22规格针头（内径：0.4 mm，外径：0.7 mm）改善了性能。基于这些观察，确定一致纳米纤维形成的最佳条件为：进料速率2.0 mL/h，针头到收集器距离15 cm，电压+24.92和-2.15 kV，收集器速度300 rpm，和22G针头。

交联和BC涂层

从化学上讲，SA是一种由甘露糖醛酸和古洛糖醛酸共聚形成的线性多糖，能够与组分羧基形成刚性内部键。此外，可电离基团的存在导致聚电解质行为。此外，较低的粘度、较高的表面张力和低浓度下的高凝胶作用在SA单独用于纳米纤维生成时会导致可纺性差。然而，在大多数情况下观察到，载体聚合物，特别是PVA（聚乙烯醇）或PEO（聚环氧乙烷），是静电纺丝应用中最合适的选择。这是基于它们增强 resultant 纳米纤维的可纺性和稳定性的能力。

鉴于SA和PEO都溶于水，它们的结构完整性受到水环境的威胁。即使形成纳米纤维，它们的结构稳定性仍然面临风险。此外，未经处理的SA基结构由于藻酸单元（甘露糖醛酸和古洛糖醛酸）之间仅存在糖苷键而机械强度较弱。然而，通过用像CaCl₂这样的交联剂处理SA/PEO纳米纤维已经解决了这个问题。它可以通过在SA的羧基和Ca²⁺离子之间形成离子键来增强纳米纤维的机械稳定性。这个过程创建了一个蛋盒状结构，其特征在于凝胶珠和3D网格，从而提高了纳米纤维的整体强度。

通过各种研究观察到，SA与BC的相容性极佳。优异相容性的主要原因之一是两种生物聚合物中羟基的存在，它们参与形成氢键。即使交联后，虽然Ca²⁺取代了SA原始羧基中的大部分氢，一些残留的-COOH可能仍然存在。因此，SA的残留-COOH与BC的-OH结合形成酯键的机会出现，这有助于形成稳定的BC涂层。

表面形态分析

总共进行了6次完整试验，才在纳米纤维直径和一致性方面取得最佳结果。图1描绘了每次试验的表面形态。

表2中的观察结果已详细分析，以解释作为SEM图像呈现的 resultant 纤维结构。在第一次实验试验（T1）中观察到一致的溶液流，但偶尔有液体从针尖爆发。这种不稳定的流动可能产生了异常大的珠粒，连接纳米纤维承受高应力，使它们超薄。在第二次试验（T2）中，观察到显著改善，珠粒尺寸显著减小。然而，珠串排列突出，这可以通过静电纺丝过程中针尖频繁形成液滴来解释。第三次试验（T3）仅显示不同尺寸的珠粒；无法识别纳米纤维。这种差的结果可能归因于溶液的制备持续时间，在磁力搅拌器上放置超过48小时。这可能影响了生物材料SA的稳定性。此外，静电纺丝过程中的注入流高度不稳定和不一致。

另一方面，第四次试验（T4）显示了积极结果。然而，明显的是，液滴在针尖间歇形成，导致结构中珠粒数量增加。在第五次试验（T5）中，观察到对T4的改进，液滴形成频率显著降低。然而，仍然形成了一些液滴，导致珠粒形成率较低。第六次试验（T6）产生了最有利的结果，可以在图1f中看到，并与静电纺丝过程中的观察一致。材料流稳定，导致纳米纤维沉积具有一致的尺寸和分布，并且由于结果形成很少的珠粒。因此，使用T6生产的样品进行了进一步的实验。

图2a显示在第六次试验（T6）中创建的原始SA/PEO样品的SEM图像，在200,000倍放大级别（200 KX）。如上所述优化的参数导致形成具有一致直径的细纤维。这些纤维大部分呈圆柱形，随机排列，并形成连续图案。它们均匀分布在收集器的宽度上，并且材料中孔隙均匀生成。

尽管有这些积极特征，仍然注意到一些珠状结构，可能是由于溶液中残留不可纺SA颗粒的结块。使用Image J软件进行尺寸测量更好地理解了纤维和孔隙的尺寸。对50个随机选择的纤维直径和孔径的分析显示，纳米纤维的平均直径为121 nm，平均孔径为288 nm。此外，图2b说明了纤维直径在不同直径范围内的分布，结果显示范围在80–220 nm之间。大多数纤维集中在100至120 nm之间，展示了本研究中生产的纳米纤维一致且首选的直径范围。

图2c展示了使用CaCl₂交联的SA/PEO纳米纤维垫的表面外观，放大级别与图2a相同。通过遵循章节（3.4）中概述的程序，实现了均匀的交联效果。纤维经历了自然交联过程，导致其直径增加。在某些区域，可见较大的交联纤维簇。这些簇可能在交联过程中当几个纳米纤维在单个点汇聚时形成，表现为新创建的珠粒。此外，这些新形成的珠粒与原始SA/PEO样品中预先存在的珠粒添加可能显著增加了其在交联SA/PEO样品中的突出性。

由于相邻聚合物链的交联导致纤维直径增加，材料内孔隙尺寸减小。使用Image J软件分析的数据，基于50个随机选择的纤维直径和孔径，显示纳米纤维的平均直径增加到154 nm，平均孔径减小到206 nm。这意味着，平均而言，与原始纳米纤维的直径相比，交联过程后纳米纤维直径增长了约33 nm（27.27%）。有几个因素可能导致纤维直径的这种增加。这些包括由于交联溶液渗透导致分子量增加、相邻纤维合并或化学结构变化导致纤维尺寸改变。这一观察与Schiffman和Schauer进行的一项研究一致，其中交联过程增加了电纺壳聚糖纳米纤维的直径。此外，图2d呈现了纤维直径在不同尺寸范围内的分布。结果显示所有纤维的直径落在64至284 nm范围内。大多数纤维集中在104至124 nm之间。

图2e显示了已经交联的SA/PEO纳米纤维片在涂覆BC后的外观，在200 KX放大倍数下。如章节（3.5）中解释的添加BC涂层的方法，通常导致表面均匀覆盖和涂层。纤维的密度显著高于原始和交联纳米纤维片。以类似于交联表面的方式，一些点出现更厚和簇集在一起，导致比单个纳米纤维平均尺寸更大的区域。不幸的是，这些团块表现为珠粒，影响了纳米纤维尺寸和排列的均匀性。然而，可以从观察中推断，与交联样品相比，珠粒数量没有显著增加，表明BC涂层不会导致任何新的珠粒形成。

纳米纤维尺寸和孔隙尺寸的调查显示，平均纳米纤维直径为130 nm，孔隙尺寸为228 nm。显然，与交联纤维相比，平均纳米纤维直径减少了24 nm（15.58%），导致更大的平均孔隙尺寸。这可能是由于BC的优异亲水性，可能从纳米纤维中提取了任何残留的水。这反过来可能导致纤维收缩。虽然这种收缩使纳米纤维尺寸更接近原始原始SA/PEO纳米纤维直径，但BC涂层样品仍然表现出比原始样品大9 nm（7.44%）的直径。图2f进一步显示纤维直径落在71至251 nm之间。大多数纤维发现在131至151 nm之间，表明BC涂层纳米纤维的首选范围。

图S4显示在第六次试验（T6）中创建的原始SA/PEO样品的SEM图像（图S4(a–d)），CaCl₂交联SA/PEO（图S4(e–h)），和BC涂层交联SA/PEO（图S4(i–l)）在不同放大级别：50,000倍（50 KX），100,000倍（100 KX），200,000倍（200 KX），和400,000倍（400 KX）。

如章节（3.5）中进一步描述，测试了不同的浸涂持续时间，以找到更均匀涂层效果的最佳持续时间。纳米尺寸孔隙在表面涂层过程中被堵塞是自然的。然而，这项研究的另一个重要考虑是确保孔隙保持足够开放以允许透气性。因此，浸渍持续时间被证明是决定表面涂层质量和均匀性的关键因素。创建的纳米纤维片非常薄，因此当涂层持续时间超过30秒时，由于结构变化可注意到收缩效应。另一方面，纤维在BC悬浮液中存在的时间越长，涂层效果越好。考虑到这两个因素，检查了不同涂层持续时间20和30秒的影响，以调查最佳时间。结果如图3所示。通过比较两个图像，20秒涂层持续时间（图3a）有更好的结果。相比之下，30秒涂层（图3b）阻塞了大部分区域。因此，20秒涂层被认为是应用细菌纤维素的最佳选择。

傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析

FTIR光谱（图4）用于表征原始形式、交联后和BC涂层后的SA/PEO样品的化学组成。在原始SA/PEO样品中，3000至3600 cm^?1之间的宽吸收带确认了羟基（-OH）基团的存在，表明湿润环境可以辅助伤口愈合。2900 cm^?1附近的弱肩归因于C─H伸缩振动，是SA主链的特征。1410和1595 cm^?1附近的细微吸收特征可能分别与羧酸根（-COO^?）基团的不对称和对称伸缩有关，尽管峰没有尖锐解析。1130 cm^?1处的小峰暂时归因于PEO的C─O─C连接中的C─O伸缩，尽管此特征表现为弱肩，可能无法完全与背景噪声区分。此外，3200至3400 cm^?1之间的宽肩可能表明PEO的醚氧和SA的羟基之间的分子间氢键。

交联后，FTIR光谱保留了原始SA/PEO共混物的一般轮廓，表明核心官能团保持完整。然而，可辨别细微变化。 around 1595 cm^?1区域的宽吸收显示轻微位移至～1587 cm^?1，这可能是由于来自交联溶液的Ca²⁺离子与SA中羧酸根（-COO^?）基团之间的离子相互作用。这种相互作用得到此区域强度轻度降低的支持，与先前报道的藻酸盐系统中钙介导的交联一致。1130 cm^?1附近吸光度降低进一步表明C─O─C振动模式的部分抑制，可能是由于离子交联后分段流动性受限。2900 cm^?1附近的弱C─H带也减弱，表明凝胶化和压实后脂肪族C─H基团振动自由度降低。

在BC涂层样品中，未观察到新的尖锐峰，但在-OH和-COO^?区域可检测到强度的微小变化。宽-OH带（～3300 cm^?1）变得稍微更强烈和更宽，可能是由于来自BC涂层的额外羟基含量。虽然BC中常见的β-糖苷键峰，通常在890 cm^?1和1030 cm^?1附近，未明显解析，～1020 cm^?1处的温和肩可能表明重叠的C─O和C─OH振动模式。2900 cm^?1附近C─H伸缩的减少可能反映了BC掺入过程中的氧化表面活化，这可能改变表面能和pH，创建有利于伤口愈合的弱酸性环境，通过支持酶功能和限制微生物定植。

尽管缺乏尖锐的新峰，光谱轮廓表明涂层样品保留了BC的亲水和生物活性特性，包括调节伤口渗出物、支持上皮粘附和促进组织再生。所有样品中持续的-OH带表明 sustained 湿润界面，进一步增强了材料的治疗潜力。

机械分析

本研究中使用的原始SA/PEO纳米纤维垫的平均厚度测量为0.036 mm。交联后，此厚度显著减少至0.011 mm，可能是由于增加了分子间结晶，减少了无定形区域，并产生了更密集、更刚性的结构。BC涂层后，厚度再次增加至0.021 mm，归因于表面沉积和BC部分渗透到纤维网络中。

使用拉伸应力-应变曲线检查了原始、交联和BC涂层SA/PEO纳米纤维的机械行为（图5a）。原始垫（RS1–RS3）在低应力下表现出更大的延伸，反映了高灵活性。交联样品（CR1–CR3）显示出更高的应力承载能力但减少的应变，表明增加了刚度。相比之下，BC涂层垫（BC1–BC3）表现出增加的延伸但减少的拉伸强度——表明以刚度为代价改善了灵活性。这种转变与键合变化相关：交联引入Ca²⁺–COO^?离子相互作用，增强基质，而BC涂层部分用较弱的氢键取代这些。计算的杨氏模量值（图5b）进一步支持了这种趋势：原始5.60 MPa，交联10.37 MPa，和BC涂层1.99 MPa。这些源自应力-应变曲线的线性区域，具有高相关性（R² > 0.99），表明良好的再现性。跨重复的模量变化保持在可接受范围内（误差：-0.1965至0.1217）。

拉伸性能比较（图5c,d）显示原始垫表现出1.64%的断裂应变，最大应力和力分别为8.91 MPa和0.56 N。交联样品，虽然更强（13.81 MPa，0.60 N），但可扩展性较差（1.29%应变）。BC涂层垫显示相反趋势：较低拉伸强度（5.14 MPa，0.36 N）但更高伸长率（2.27%）和位移（0.54 mm），增强了它们的灵活性。

为了将这些值置于背景中，参考了Minsart等人（2022）对11种市场领先敷料的综合研究中广泛使用的商业伤口敷料的基准拉伸性能。例如，纤维商业敷料如Aquacel Extra和Kaltostat表现出杨氏模量在0.24和0.95 MPa之间，断裂伸长率在68–134%之间，干态极限应力值低于0.53 MPa。相比之下，多层敷料如Acticoat可达4.6 MPa极限应力，但由于其刚性显示有限伸长。 upon swelling，许多这些商业敷料经历机械性能显著降低或变得太脆弱无法进行拉伸测试——类似于我们对BC涂层样品的观察。

基于与既定商业基准的比较，BC涂层SA/PEO垫表现出与临床相关要求对齐的机械特性，适用于柔性伤口敷料。具体而言，约2 MPa的杨氏模量和超过2%的断裂应变表明结构支持和可扩展性之间的有利平衡。这种机械概况将BC涂层垫置于适用于解剖复杂或移动区域的功能范围，其中适形性至关重要。值得注意的是，它们在水合条件下的机械完整性与纤维和水凝胶基商业敷料如Aquacel Extra和Hydrosorb相当，这些广泛用于管理中至高渗出伤口。这些发现支持BC涂层系统在临床场景中的潜在效用，这些场景优先考虑敷料灵活性而不妥协基本拉伸性能。

热分析

进行差示扫描量热法（DSC）分析，通过绘制热流对温度来检查电纺SA/PEO纳米纤维垫的热转变。执行了加热-冷却-加热循环，生成三个不同的曲线：第一和第三循环对应于加热，而第二循环代表冷却。加热阶段与固液转变（熔融）相关，表现出吸热峰，而冷却阶段涉及液固转变（结晶），以放热峰为标志。

所有三个循环的DSC曲线如图6a–c所示，显示原始、交联和BC涂层样品。第一次加热循环（循环1）提供了关于