壳聚糖稳定的静电纺丝纳米纤维敷料负载火焰法制备纳米银用于耐药感染治疗

《iScience》：Chitosan-stabilized electrospun nanofiber dressings with embedded flame-made nanosilver for the treatment of resistant infections

　　

伤口愈合可能因感染而严重受损，特别是由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）等抗生素耐药细菌引起的感染。研究人员开发了基于静电纺丝聚乙烯醇-壳聚糖纳米纤维的抗菌伤口敷料，其中包含火焰法制备的纳米银颗粒（Ag NPs）。这些2–10 nm的Ag NPs嵌入约200 nm的纤维中，能够实现高且持续的银离子（Ag+）释放，且未检测到纳米颗粒释放，这有助于减轻与纳米颗粒暴露相关的担忧。壳聚糖在结构上稳定纤维，同时调节溶胀和局部pH值以增强Ag+扩散。该敷料在体外实现了超过99.9999%的细菌减少，在使用新鲜切除的人体皮肤的离体实验中实现了高达99%的减少。至关重要的是，该敷料维持了超过90%的人角质形成细胞和成纤维细胞的活性，并且未检测到对短期伤口愈合的损害。本研究引入了一种可规模化、安全设计的纳米纤维平台，用于抗感染且促进愈合的伤口护理，并支持其在临床前研究中的进一步评估。

一、研究背景与科学问题

伤口愈合是一个复杂的生物学过程，常因微生物入侵导致的感染而严重受阻，尤其是急性伤口感染（如烧伤、手术切口和外伤创面），其主要病原体为革兰氏阳性菌耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）。这些感染可引发延迟愈合、败血症甚至截肢等严重后果。传统抗生素的广泛使用导致了全球性的抗生素耐药危机，约70%引起伤口感染的细菌已对至少一种抗生素产生耐药性。手术清创虽是一种治疗方法，但存在再感染风险。因此，开发抗菌伤口敷料成为一种替代方案。银因其多重抗菌机制而被广泛应用，但银基敷料面临毒性、疗效不一致和成本效益等问题。尽管尺寸小于10 nm的纳米银颗粒（Ag NPs）能持续释放高浓度银离子（Ag⁺），但其积累和长期毒性问题依然存在。因此，亟需一种既能确保高效Ag⁺释放、又能最小化纳米颗粒释放并保持生物相容性的可规模化生产方法。

二、研究概述与结论

为解决上述挑战，研究人员采用两种工业相关制造工艺——火焰喷雾热解（FSP）和静电纺丝，开发了基于聚乙烯醇（PVA）-壳聚糖（CS）纳米纤维的抗菌伤口敷料。首先利用FSP合成了抗菌Ag/SiO₂纳米颗粒，随后将其通过静电纺丝嵌入聚合物纤维中，制备出多尺度纳米纤维膜。研究表明，该敷料能在极低银含量下实现高且持续的Ag⁺释放，且无纳米颗粒泄露，从而显著降低长期毒性风险。在体外实验中，含10%和20%壳聚糖的膜对MRSA和P. aeruginosa表现出超过99.9999%（8-10对数级）的细菌杀灭率。在离体猪皮和人皮肤模型中，该膜分别实现了99.9%和90%-99%的细菌减少。更重要的是，该敷料保持了超过90%的人角质形成细胞和成纤维细胞活性，并在人皮肤组织学分析中未发现对短期伤口愈合的明显损害。该研究首次将火焰法制备的亚10纳米Ag/SiO₂颗粒整合入PVA-CS静电纺丝基质中，实现了低银载量下的持续抗菌离子释放，并通过人皮肤离体验证了其抗菌效能和愈合兼容性，代表了银基电纺敷料领域的重要材料工程与转化医学进展。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了以下关键方法：

1. 1.
   火焰喷雾热解（FSP）：用于合成亚10 nm的Ag/SiO₂纳米颗粒（平均直径4.7 nm），其中无定形SiO₂抑制银的生长并防止水相团聚。
2. 2.
   静电纺丝：将Ag/SiO₂纳米颗粒掺入PVA-壳聚糖（CS）聚合物溶液（溶剂为2% v/v乙酸），通过调整电压（10-18 kV）和纺丝参数，制备出纤维直径约150-300 nm、孔隙率约40%的纳米纤维膜。
3. 3.
   离体人皮肤模型：从腹部整形手术捐赠者获取新鲜人皮肤活检（伦理批准号2019-02335），创建标准化伤口后感染细菌，评估膜的抗菌效果和组织相容性。

四、研究结果

1. 可规模化的静电纺丝膜制备

研究人员通过FSP合成了平均粒径4.7 nm的Ag/SiO₂纳米颗粒，经X射线衍射（XRD）和选区电子衍射（SAED）确认其结晶性。将这些颗粒掺入不同壳聚糖含量（0-20% w/w）的PVA溶液中静电纺丝，获得纤维直径150-300 nm的膜。透射电镜（TEM）和能谱分析（EDX）证实Ag/SiO₂纳米颗粒均匀分布在单根纤维内部，电子断层扫描显示其在纤维内呈径向和轴向均匀分布。

2. 膜的表征与Ag⁺离子释放机制

不含壳聚糖的膜在水中迅速溶解并释放Ag/SiO₂纳米颗粒，而含壳聚糖的膜则有效固定颗粒，无纳米颗粒释放。含10%和20%壳聚糖的膜在24小时内展现出最高的Ag⁺释放曲线，这得益于亚10 nm颗粒的高表面能。进一步研究发现，壳聚糖通过两个机制促进Ag⁺释放：一是亲水性聚合物链吸水溶胀（20%壳聚糖膜溶胀率达200%），为离子扩散创造空间；二是壳聚糖中残留乙酰基水解生成乙酸，降低局部pH值，从而加速银氧化溶解。X射线光电子能谱（XPS）确认静电纺丝过程不影响银的氧化物/金属比例。

3. 膜的体外和离体抗菌活性

体外实验显示，含10%和20%壳聚糖的膜对MRSA和P. aeruginosa实现了8-10对数级（>99.9999%）的细菌杀灭。Kirby-Bauer纸片扩散法观察到清晰的抑菌圈，表明Ag⁺离子的扩散是抗菌活性的主要机制。与硝酸银（AgNO₃）对照膜相比，Ag/SiO₂体系在匹配银含量下展现出略高的Ag⁺释放和相当的抗菌活性，同时避免了原位银纳米颗粒形成的风险。在离体猪皮模型中，含20%壳聚糖的膜对MRSA实现了3对数级（99.9%）的细菌减少。在人皮肤离体模型中，该膜对MRSA和P. aeruginosa分别实现了1对数级（90%）和2对数级（99%）的减少，验证了其在更生理相关环境中的有效性。

4. 生物相容性与伤口愈合

苏木精-伊红（H&E）染色显示，所有处理组组织形态正常，无病理改变。免疫组化染色显示，凋亡标志物cleaved caspase-3阳性细胞极少，增殖标志物增殖细胞核抗原（PCNA）阳性细胞集中在表皮，符合健康组织特征。乳酸脱氢酶（LDH）细胞毒性试验表明，膜提取物处理后，人角质形成细胞和成纤维细胞存活率均约为90%，无显著细胞毒性。伤口愈合实验显示，与未处理组相比，电纺膜组在组织收缩、再上皮化和伤口闭合方面表现相当，而市售银基敷料则表现出较差的愈合反应，缺乏增殖性角质形成细胞和活化成纤维细胞。

五、总结与讨论

研究人员开发的基于火焰法制备Ag/SiO₂纳米颗粒的PVA/CS电纺膜作为抗菌伤口敷料展现了巨大潜力。其核心优势在于：FSP衍生的亚10 nm Ag/SiO₂颗粒具有高比表面积和二氧化硅稳定化特性，使其在静电纺丝过程中均匀嵌入，实现持续银离子释放而无爆发效应；壳聚糖的双重作用——既是结构稳定剂（阻止PVA溶解），又是生化调节剂（增强溶胀和降低pH以增加Ag⁺释放）——使得在极低银剂量（~20 μg/cm²）下即可实现持续抗菌离子释放，这是生物材料领域的关键进步。与现有银基敷料相比，该体系通过强纳米颗粒-聚合物相互作用避免了纳米颗粒释放，有望克服长期毒性这一关键限制。此外，在新鲜切除人皮肤上进行的离体验证（包括抗菌效能和组织学愈合评估）在文献中极为罕见且方法学要求高，为本研究提供了独特的转化价值。

研究结论：本研究展示了一种将火焰法制备的二氧化硅稳定化亚10 nm Ag/SiO₂纳米颗粒整合入PVA-CS电纺基质的策略，该基质能够在低银载量下实现持续Ag⁺释放，且含壳聚糖的纤维中未检测到纳米颗粒释放。结合在新鲜切除人皮肤中验证的抗菌效能和伤口愈合兼容性，该研究构成了超越传统银载电纺敷料的实质性材料工程与转化医学进展，为后续体内和临床前评估奠定了基础。