受树木启发的具有径向–轴向连续性的仿生径向–轴向汇聚支架（bioinspired radial–axial convergent scaffold, aBRACS）——用于伤口渗出液管理（Wound Exudate Management）的液态调控支架

《Materials Today Bio》：A Tree-Inspired Liquid‐Managing Scaffold With Radial-Axial Continuity for Wound Exudate Management

　　

有效渗出液管理在复杂创面治疗中仍具挑战，因为大多数敷料依赖局部吸收或表面润湿，在持续、非均匀及三维流体输入条件下易失效。本研究受树木径向–轴向输运组织启发，通过定向冰冻模板法（directional ice templating）由再生丝素蛋白（regenerated silk fibroin, RSF）制备了退火仿生径向–轴向汇聚支架（annealed bioinspired radial–axial convergent scaffold, aBRACS）。aBRACS具备无缝的汇聚–上升通道构型，将径向液体捕获与轴向引流耦合于连续三维网络中，可实现黏稠渗出液的持续吸收、再分配与引流，并避免局部饱和。银离子（Ag+）掺入赋予支架抗菌能力。除流体调控外，aBRACS在体外可引导细胞沿架构排列，促进人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）管状结构形成，并营造促再生创面微环境。在接种金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的渗出性创面模型中，aBRACS表现出改善的细菌控制、血管化组织重建及加速愈合。结果表明，径向–轴向架构连续性可为功能性渗出液管理提供结构基础，并为下一代创面敷料提供可推广的设计原则。

论文解读：受树木启发的径向–轴向连续仿生支架用于伤口渗出液管理与促组织再生

《A Tree-Inspired Liquid?Managing Scaffold With Radial?Axial Continuity for Wound Exudate Management》由赵秀娟、潘昭、赵来喜等来自天津大学材料科学与工程学院的研究人员完成，发表于《Materials Today Bio》。

研究背景与立项依据

有效渗出液管理是创面护理的核心要求，过多或分布不均的渗出液可导致创周浸渍、再上皮化延迟及感染风险升高。现有创面敷料——包括亲/疏水性分层敷料、单向取向通道支架、高孔隙纤维膜及溶胀吸水基质——多针对二维平面创面或单一轴面输运设计，缺乏与三维（three?dimensional, 3D）非均匀持续渗出的空间协调连续输运通路，易在深在、不规则或感染性创面中出现局部饱和、输运功能衰减。自然界中树木通过木质部轴向导管与径向髓射线的无缝耦合构成全株连续三维输运网络，可协调侧向收集与纵向传导。基于此生物启发，研究人员提出以径向–轴向连续通道架构解决敷料内持续、定向、非局部化的渗出液再分配难题，并选用临床相容性良好的再生丝素蛋白（regenerated silk fibroin, RSF）为基材开展研究。

主要关键技术方法

研究人员以家蚕茧脱胶制备RSF溶液，掺入AgNO₃获得载银RSF（RSF?Ag⁺）溶液。采用定向冰模板法（directional ice templating）于预冷金属–硅胶模具中建立温度梯度，使底部径向与上部轴向冰晶有序生长，经冷冻干燥获初生BRACS（bioinspired radial–axial convergent scaffold），甲醇处理诱导β?折叠结晶退火（annealing）获aBRACS（annealed BRACS）；对照组含同配方随机多孔RSF支架（Random）、单纯轴向取向（Axial?D）与径向主导（Radial?D）支架、商用羧甲基纤维素水纤维银敷料（Aquacel? Ag⁺）及明胶海绵。通过扫描电镜（scanning electron microscopy, SEM）、显微CT（micro?computed tomography, micro?CT）、傅里叶变换红外光谱（Fourier?transform infrared spectroscopy, FTIR）表征微观形貌与β?折叠含量；通过侧面点液扩散、垂直芯吸、动态接触角及持续供液实验评价液体吸收与输运；采用CCK?8与活/死荧光染色测细胞毒性；以细胞骨架（F?actin）染色与激光共聚焦观察成纤维细胞排列与迁移；人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）基质胶管形成实验评估血管生成；抑菌圈、活/死菌荧光及扫描电镜评估抗菌性；选用雄性Sprague?Dawley大鼠建立金黄色葡萄球菌接种的全层皮肤缺损感染创面模型，比较各组换药后创面闭合率、H&E与Masson三色染色及CD31、VEGF、MMP13、IL?6、TNF?α、CD206免疫组化/荧光标记。

研究结果

4.1. Design and preparation of aBRACS

通过定向冰冻铸造并结合甲醇退火，研究人员成功制备整体式aBRACS，其下部呈向中心收敛的径向孔道，上部为垂直对齐轴向通道，二者间存在连续渐变过渡区。Micro?CT与SEM证实三维通道无中断且贯通全高；甲醇退火使RSF中无规卷曲向β?折叠转化（FTIR分峰拟合确认），提升支架压缩模量与湿态稳定性；能谱（energy?dispersive spectroscopy, EDS）面扫显示Ag元素均匀分布于孔壁。结论：aBRACS具备完整径向–轴向连续通道及力学/结构稳定性，Ag⁺均匀负载且不破坏RSF退火行为。

4.2. Liquid absorption and infiltration behavior by scaffold

在模拟伤口渗出液单点供给下，Aquacel(+)仅表面快速润湿且液体滞留近表层，Gelatin(?)因溶胀致孔闭塞，Random(+)呈无序慢渗且有停滞区，而aBRACS(+)液体迅速经径向口捕获并向轴向引流，扩散面积与渗透深度显著大于各对照组（p < 0.05），且在较高粘度下吸收面积不减。结论：径向–轴向连续低曲折度通道克服各向同性支架的局部饱和，实现宽粘度范围内的高效液体再分配与深层渗透。

4.3. Directional liquid absorption and redistribution governed by channel continuity

侧面持续供液实验中，aBRACS(?)自下而上均匀持续芯吸且无滞留，Random(?)随传输距离增加液面前沿减速明显，仅具径向或轴向单一取向的Radial?D(?)/Axial?D(?)输运速率低于aBRACS(?)；底封侧开吸液实验显示具径向通道组均快于无径向通道组，而aBRACS(?)达顶部时间最短；饱和后再浸入纯水，仅aBRACS(?)能快速排出黏性渗出液。结论：径向捕获与轴向引流的结构耦合是持续长程输运及可逆交换的必要前提，缺失任一组分均削弱渗出液管理能力。

4.4. Dynamic wettability and interfacial liquid redistribution

动态接触角测试显示，随液体粘度升高（1–75 mPa·s）各材料铺展/吸收变慢，但aBRACS(+)在各粘度下均能令液滴完全消失（被吸入体相），而Aquacel(+)、Gelatin(?)及Random(+)高粘度下残留表面液膜。结论：aBRACS(+)界面?体相连续毛细驱动力可有效克服粘滞阻力完成界面液体撤除，而非仅靠表面快速铺展。

4.5. Architecture?guided cell migration and angiogenesis

L929成纤维细胞在aBRACS(+)上沿通道方向伸长、定向排列（长轴长度与长宽比高于Random(+)，p < 0.05），横截面见沿汇聚通道协同向心迁移且侵入深度更大；HUVEC管形成实验中aBRACS(?)/aBRACS(+)组成熟分支总长、分支数与网孔数在2–8 h显著高于空白及各对照组（p < 0.05或p < 0.01）。结论：连续取向孔道提供物理拓扑 cue 引导细胞极性排布与集体迁移，并上调内皮细胞成管能力，有利于血管化再生。

4.6. Antibacterial property of aBRACS(+)

aBRACS(+)于琼脂平板上对金黄色葡萄球菌形成清晰抑菌圈，面积约为Random(+)的1.5倍（p < 0.05），活/死菌染色及SEM见aBRACS(+)组细菌膜破损、胞内物泄漏更严重；ICP?OES显示aBRACS(+)具较Random(+)更平缓持续的Ag⁺释放曲线。结论：径向–轴向通道促进Ag⁺向周边介质扩散从而扩大抑菌范围，结合缓释特性增强杀菌效果。

4.7. In vivo infected wound repair performance

在大鼠金葡菌感染全层皮肤缺损模型中，aBRACS(+)组第10天归一化创面面积最小（p < 0.05 vs 各对照组），H&E示表皮连续、真皮层致密且炎细胞少，Masson示胶原沉积面积分数最高（p < 0.05）、残存创缘最短；免疫组化示CD31与VEGF阳性区增大（促血管化），IL?6与TNF?α阳性区降低（炎症减轻），MMP13表达下调（基质降解平衡），CD206⁺巨噬细胞比例升高（向修复型极化）。结论：aBRACS(+)通过稳定渗出液微环境、控菌、促血管新生、调节炎症及胶原重塑多途径加速感染性渗出创面的再上皮化与真皮重建。

讨论与结论翻译（摘自原文Conclusion浓缩）

本研究指出当前敷料在渗出液管理上的根本局限是缺乏空间耦合的连续输运通路。受树木维管系统启发的汇聚–上升通道架构建立了无缝径向–轴向连通性，将液体捕获、再分配与引流整合于单一整体支架中。aBRACS(+)凭借通道连续性避免了常规纤维及各向同性多孔敷料的局部饱和与表面潴留，在宽粘度范围内维持有效输运；该架构驱动的流体调控提供稳定物理微环境，进而支持细胞定向排列、集体迁移及体内血管化组织再生。aBRACS性能主要源于架构设计而非材料复杂度，通过定向冰模板法由临床兼容丝素蛋白制备的整体式支架无界面不连续，抗菌组分起辅助而非主导作用。研究表明空间连续液体再分配是创面修复的上游物理调控因素，为下一代智能创面敷料提供可推广的结构设计范式。未来需在慢性/缺血创面模型、长期降解行为与适配患者几何外形方面进一步拓展验证。