多功能复合静电纺丝纤维膜促进糖尿病创面神经血管网络再生

《Materials & Design》：Multifunctional composite electrospinning fiber membranes promote neurovascular-network regeneration for diabetic wound repair

　　

摘要：糖尿病创面因局部血管生成受损和周围神经病变而难以愈合，传统敷料忽视神经血管网络的修复。研究人员通过静电纺丝（electrospinning）结合真空辅助沉积（vacuum-assisted deposition）技术，制备了负载细菌纤维素（bacterial cellulose，BC）和小檗碱（berberine，BBR）的聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）复合纤维膜（PBR）。BC在纤维表面形成多孔网状结构，显著增强了纤维的力学强度和亲水性；BBR赋予敷料抗菌、抗氧化及抗衰老性能。体外实验显示，PBR可促进成纤维细胞、表皮细胞、内皮细胞和施万细胞的增殖与迁移，上调血管生成和神经再生相关蛋白的表达，并促进神经细胞与内皮细胞的相互增强。体内实验采用链脲佐菌素诱导的糖尿病SD大鼠全层皮肤缺损模型，PBR组第14天创面愈合率达97%，显著加速创面闭合、胶原沉积及神经血管网络再生。该复合纤维膜为糖尿病创面治疗提供了新的策略。

一、研究背景与问题

糖尿病是全球范围内致残和致死的主要原因之一，预计到2050年全球糖尿病患者将超过13.1亿。糖尿病创面常因局部血管生成受损和周围神经病变而迁延不愈。高血糖和血管损伤导致外周循环障碍，使创面区域缺氧、营养供应不足；同时，氧化应激、过度炎症、生长因子水平降低和细菌感染进一步加重愈合障碍。神经和血管在创面修复中发挥不可或缺的协同作用：血管通过分泌多种细胞因子促进神经再生，并调控细胞迁移、分化和突触连接建立；感觉神经末梢则通过释放降钙素基因相关肽（calcitonin gene-related peptide，CGRP）促进血管生成。因此，促进神经血管网络再生对糖尿病创面治疗具有重要意义。然而，传统医用敷料已难以满足糖尿病创面的护理需求，多数敷料忽视神经血管网络的修复，可能导致创面反复缺血坏死和感觉功能障碍。因此，亟需设计能够主动促进神经血管再生的创面敷料。

二、研究内容与意义

研究人员创新性地将静电纺丝技术与真空辅助沉积相结合，以聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）静电纺丝纤维为基础，在其表面负载细菌纤维素（bacterial cellulose，BC）并加载小檗碱（berberine，BBR），构建了多功能复合纤维膜PBR。BC在PAN纤维表面形成纳米级网状结构，不仅为神经和血管在创面内生长提供了空间生态位，还增强了复合支架的力学强度和亲水性；BBR则赋予敷料抗菌、抗氧化和抗衰老等药理活性。研究结果表明，PBR能够改善糖尿病创面的病理微环境，促进神经血管网络再生，显著加速创面愈合，为糖尿病创面治疗提供了新策略。

三、关键技术方法

研究人员通过静电纺丝制备PAN-BBR纤维，随后采用真空辅助沉积将BC负载于纤维表面，并经交联得到PBR复合膜。材料表征包括扫描电子显微镜/能谱（SEM/EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、Zeta电位、水接触角、力学拉伸、体外降解与药物释放实验。体外实验使用L929成纤维细胞、HaCaT角质形成细胞、HUVEC内皮细胞和RSC96施万细胞，在高糖条件下评价细胞增殖、迁移、抗氧化、抗衰老、线粒体保护和血管生成能力，并通过Transwell共培养系统研究神经-血管相互作用。体内实验采用链脲佐菌素诱导的糖尿病SD大鼠全层皮肤缺损模型，于伤后第3、7、14天进行大体观察、组织学染色和免疫荧光分析。

四、研究结果

3.1 静电纺丝纤维的形态与特征：SEM/EDS确认BC成功负载于PAN表面并形成多孔网状结构；Zeta电位显示PBR表面带负电荷；FT-IR证实PAN和BC的特征峰共存；BC负载未显著改变纤维直径分布。

3.2 PBR的理化与生物学表征：力学测试显示PBR的拉伸强度和断裂伸长率均高于PAN，表明其结构完整性更好；水接触角从134.65°降至49.86°，亲水性显著增强；水蒸气透过率和吸水率实验显示其具有合理的水分管理能力；体外降解实验显示PBR降解速率加快；药物释放呈初期突释后持续缓释至第14天的双相行为；DPPH•、ABTS^•+、H₂O₂和O₂^?•清除实验显示PBR具有较强的抗氧化活性。

3.3 抗菌性能：通过抑菌圈、平板涂布、Live/Dead染色和SEM观察，PBR对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）均表现出抑制作用，抑菌率分别约为87%、71%和54%，并可使细菌细胞膜破裂、内容物泄漏。

3.4 PBR对成纤维形成的影响：在L929细胞中，CCK-8和Live/Dead实验证明PBR生物相容性良好；EdU、划痕和Transwell实验显示PBR促进成纤维细胞增殖和迁移；DCFH-DA、SA-β-Gal和TMRE实验显示PBR降低细胞内活性氧水平、延缓细胞衰老并保护线粒体功能；qRT-PCR和免疫荧光显示PBR上调I型胶原（COL-1）和成纤维细胞生长因子（FGF）的表达。

3.5 PBR对表皮形成的影响：在HaCaT角质形成细胞中，PBR促进细胞增殖和迁移，显著降低高糖诱导的氧化应激和衰老，恢复线粒体膜电位，并上调表皮生长因子（EGF）和转化生长因子-β（TGF-β）的表达。

3.6 PBR对血管生成的影响：在HUVEC中，PBR促进细胞增殖、迁移和管形成；上调CD31和血管内皮生长因子（VEGF）的表达；RSC96-HUVEC共培养显示，PBR预处理的施万细胞可增强HUVEC中VEGF的表达，提示其促进神经-血管相互作用。

3.7 PBR对神经再生的影响：在RSC96细胞中，PBR促进神经细胞增殖和迁移，降低ROS水平、延缓衰老并保护线粒体；上调髓鞘碱性蛋白（MBP）和脑源性神经营养因子（BDNF）的表达；HUVEC-RSC96共培养显示，PBR处理的内皮细胞可通过增加VEGF表达进而促进BDNF表达，间接支持神经修复。

3.8 体内创面愈合评价：在糖尿病大鼠全层皮肤缺损模型中，PBR组创面愈合率在第3、7、14天分别约为42%、75%和97%，显著高于Tegaderm和空白对照组，接近完全闭合。

3.9 组织学分析：H&E染色显示PBR组炎症细胞浸润明显减少，第14天表皮厚度达45 μm；Masson染色显示第14天胶原沉积密度达54%，高于对照组35%和Tegaderm组40%；免疫荧光显示PBR组Arg-1表达升高、iNOS表达降低，CD31、α-SMA、MBP和PGP9.5表达均显著增强，CD31/PGP9.5共定位提示创面内形成了神经血管网络。

五、总结与结论

讨论总结：PBR的组成与结构设计协同发挥抗炎作用，改善局部组织的病理微环境。BC模拟细胞外基质结构并增强材料性能，BBR持续释放发挥抗菌、抗氧化和抗衰老作用，促进成纤维细胞、表皮细胞、内皮细胞和神经细胞的功能，并通过神经-血管相互增强机制，最终实现创面神经血管网络再生和加速愈合。

研究结论：本研究创新性地将静电纺丝技术与真空辅助沉积相结合，构建了负载细菌纤维素和小檗碱的静电纺丝复合敷料（PBR）。BC在复合纤维上形成纳米网状结构，显著增强了纤维的力学性能和亲水性。体外实验证明PBR具有优良的抗氧化性能和细胞相容性，有效促进多种创面修复相关细胞的增殖与迁移，并表现出显著的促血管生成和促神经生成作用。体外共培养显示PBR可促进神经细胞与内皮细胞相互增强，有利于神经血管网络再生。体内结果显示，PBR的组成与结构设计协同发挥抗炎作用，改善局部组织病理微环境，促进表皮再生和胶原沉积，最终促进神经血管网络再生。通过静电纺丝加载小檗碱结合BC网状结构，所开发的PBR敷料在神经血管网络再生方面具有巨大潜力，为糖尿病创面治疗提供了新的策略。